关于聚合物电解膜燃料电池堆的开发分析与样品实验

燃料电池为商用车的低碳运行作出了重要的贡献。AVL公司旗下的研究人员目前已开发出了1种聚合物电解膜燃料电池堆和1款专用的模拟软件，以便在设计要求、软件可能性及试验数据之间进行深入的研究和优化。

0 前言

出于降低CO2排放的目标，重型商用车实现低碳运行是研究人员目前面临的1项艰巨挑战工作。因为商用车必须在持续的高功率状态下行驶，如果使其仅通过蓄电池驱动，会导致一系列问题。燃料电池同样能对商用车的低碳运行作出重要贡献，并且不会像蓄电池商用车一样产生诸多弊端。基于该原因，AVL公司旗下的研究人员开发了1种聚合物电解膜燃料电池堆（图1）。研究人员通过高品质的模拟过程以改善其技术参数，并对燃料电池的性能和品质作出最佳预测。

1 功率评估

在研究人员对电池堆结构进行设计时，实现具有快速时间趋同性的可靠功率模拟过程有着较高重要性，以此能无滞后地对场景进行分析。因为研究人员选择催化剂涂层膜（CCM）材料的过程与气体扩散层（GDL）材料相似，均存在着多种方案。研究人员为此已对多种场景进行了研究，以便查明双极板流场的最佳流道宽度。为实现更长的使用寿命及更精细的几何形状和尺寸，研究人员应选用合适的碳板。在作出选择后，研究人员从制造过程和系统误差等方面提出了相关要求。同时，这些要求又是得出最终流场几何学的基础。随后，研究人员需要经历多次优化CCM、GDL及流场的过程，方可得出最终的结构组成。

2 满足要求的极板设计分析

在选定用于膜电极单元（MEA）和双电极板的材料后，研究人员应重点关注流动分布状况。功率模拟可用于确定电池片内部和电池片之间流动分布均匀性的目标值，研究人员为此需要进行精准的三维计算流体动力学（3D-CFD）模拟，以便优化设计，并使系统维持均匀流动的分布状态。

研究人员借助于双电极板的计算机辅助设计（CAD）模型确定了模拟方案。为了达到较高的精度，应开发相应的模拟方法，但由此会带来较高的成本。

为了减小计算强度并减少计算成本，研究人员已在几何学上进行了适当的简化，从而在对模拟计算精度影响最小的情况下，充分缩短了计算时间。AVL公司旗下的研究人员对电池片及其内部的流动过程进行了模拟，从而满足系统对均匀流动分布的要求。

影响极板流动分布的1个临界部件位于流场开始出现阻抗的位置，该位置对于电池片实现稳定功率输出有着重要影响。如不对其进行优化，还会影响到电池片和电池堆的其他关键性能，包括电池功率密度、偏离设计运行条件的误差，以及电池片对冷起动的适应性等重要因素。研究人员借助于3D-CFD模拟软件，可在构件误差允许的情况下，预测到即将出现的偏差，从而避免流体出现不均匀分布现象并实现所需的目标值。图2示出了这种结果的实例。流体从流量较少的进口通道流入1个广阔的分布区域，再从此处流入流量较高的有效流道中。整个流动区域被施加了一定压力，并承受着由3种不同工作介质所产生的周期性压力波动。为此，减小其强度和刚度就显得较为重要。

3样品制造和首次试验

燃料电池堆通常由许多单个电池片组成。研究人员为了对燃料电池的设计性能进行验证，尽管无需对整个电池堆开展试验，但必须了解到硬件配置和试验装置的潜在作用。由于每个电池片在电池堆中的位置彼此相异，由此会产生不同的边界条件。该现象会反过来影响到试验结果。出于该原因，研究人员选择了由10个电池片组成的最小电池堆，并以此开展试验。由于燃料电池堆通常配备有碳板极，样品会使用经铣削加工的双极板。该举措有助于快速地实现全新的设计方案，并大幅降低制造要求，因此首件样品的成本要明显低于冲压金属板，同时也提高了构件的允差。

因为与冲压成形这一方案相比，为数较少的几个相同零件通常采用铣削加工成形。但如果在首个电池堆的样品上采用该类方式，可能会使某些敏感性较高的试验产生错误的试验结果。

图示出了配备有10个电池片的燃料电池堆功率试验结果与实际燃料电池功率模拟结果的比较。在模型与真实试验数据之间，总体偏差会在适当范围内进行变动，并会在极化曲线极限范围内出现某个峰值。

试验前，样品极板通过具有较高分辨率的激光扫描以控制其加工精度，研究人员从而能推断出构件加工尺寸的误差是否会受到影响。测量结果清楚地表明，研究人员在模拟过程中仍需要考虑其他相关因素。在近期研究的基础上，研究人员已开发出了最新的CFD算法，以便进一步改善基于压力损失的预测精度。图6表明精度的提高应归因于得以扩展的CFD算法。

4结语和展望

燃料电池将为商用车的低碳运行作出重要贡献，不过目前研究人员目前仍缺乏相应的试验数据。正如内燃机的发展历程一样，燃料电池技术的开发难点在于对功率和使用寿命的精确模拟。燃料电池堆与模拟软件的开发过程处于平行且交互的状态，从而使得设计要求、软件可能性与试验数据之间能进行协同调整。

精确的模拟过程是影响成功的关键因素，因此AVL公司旗下的研究人员选择了这种涵盖了软件开发、模拟、设计、样品制造和试验等多方面的研究方式。因为该类燃料电池技术相对成熟，所介绍的研究方式也具有最高的成功可能性，并能将风险降至最低程度，同时具有最高的商业化潜力。

在该项目的下一阶段，研究人员将开展多次加速应力试验，以说明其现有设计方案的稳定性。同时，该类试验还要与相关模拟过程相结合，以便预测负荷在空间和时间上的波动及其对电池堆使用寿命的影响。

此类结果将在后续的研究过程中得以展示，以便彰显其在行驶循环模拟环境中的性能优势，同时也需要展示出电池堆和系统零部件的瞬态特性，以便能推导出使用寿命的长短，以及用于各种场合和设计优化过程的参数指标。
编辑：lyn