基于电流分布模型的燃料电池面内差异性分析方法

导  读

质子交换膜（PEM）燃料电池因其无污染和高效率特性而收到广泛关注。然而，由于面内异质性造成的不均匀降解已经成为阻碍燃料电池汽车商业应用的主要障碍之一。在燃料电池的运行中，许多内部传输过程同时发生，如膜水化、质子传输、气体供应和热传递，并最终导致活性区域内组分的不均匀分布。而不均匀的组分分布是导致电流聚集和不均匀降解的一个关键因素。燃料电池堆中的面内异质性机制是由许多因素造成的，并表现出复杂的多维多参数耦合特征。因此，从开发长寿命燃料电池堆的角度出发，监测和研究商业尺寸燃料电池的面内异质性机制是非常必要的。具体思路如图1所示。

图1 面内异质性评估方法[1]

总的来说，面内异质性评估主要分为三步：

1、利用多点电压监控方法对面内异质性进行快速评估；

2、建立电流再分布模型，对面内异质性进行定性评估；

3、利用多点阻抗测量方法，结合弛豫时间分布，对面内异质性进行定量分析；

第一步：快速评估

活化区域内不均匀组分分布导致了双极板中的电流发生聚集。对于石墨双极板来说，平面方向的电阻是垂直方向的20000倍，这意味着电池中电流密度分布的轻微差异所导致的跨板电流会导致双极板上出现显著的电势差。这种分布差异可以通过在同一片电池的不同位置，布置电压巡检来监测多点电压（如图2所示），并能够为燃料电池面内异质性提供快速的评估。

图2 多点电压采集示意图[1]

为此，进行了大面积燃料电池动态测试，如图3所示，在前30分钟，第一片电池中多点电压差约为18毫伏，这对于燃料电池来说是一个显著的差异。有时这种电压差可能会误导退化分析。

图3 阶跃拉载中单片电池多点电压差异[2]

第二步：定性分析

为了描述燃料电池内部电流再分布过程，搭建了一种大面积燃料电池电流分布模型对面内异质性进行定性评估。其中电流分布模型由气体动态模型和电压模型构成，将一片电池假设是由两个在气路上串联，而在电路上并联的半电池组成，如图4所示。

图4 模型假设[1]

阴极入口腔体腔体1和阳极出口腔体腔体4共同组成一个半电池；

阴极出口腔体腔体2和阳极入口腔体腔体3共同组成另外一个半电池；

两个燃料电池半电池并联工作，但反应气体流动是串联的关系。阴极新鲜空气先进入阳极出口半电池，在阳极出口半电池中发生反应后进入阳极入口半电池，之后再排出燃料电池；阳极新鲜氢气先进入阳极入口半电池，在阳极入口半电池中发生反应后进入阳极出口半电池，之后再排出燃料电池；无论是阳极气体浓度变化还是阴极气体浓度变化，都会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。

图5 显示了在210A和450A下由电流分布模型计算的燃料电池中电流和电压分布情况。电流分布模型解释了正常操作下在相应区域获得的电流和电压之间的负相关关系。

图5 模型结果[1]

第三步：定量分析

基于多点电压结果，有强烈的动机怀疑依靠单点电压数据计算的阻抗值能否准确描述燃料电池的状态。为准确描述导致燃料电池产生面内差异的原因，在前两步基础上，提出基于多点阻抗和弛豫时间分布分析方法。在对各特征频率阻抗损失进行定量分析后，对表征面内差异性的电压差（∆V）和各个阻抗损失差进行了相关性分析，如图6所示。

图6 相关性分析[1]

研究结果表明，面内电压差∆V（表征异质性）与面内欧姆电阻、传质电阻和电荷传输电阻差之间存在正相关。燃料电池内部的局部电流密度分布与相应位置的电压分布之间存在着负相关，相关系数为-0.9231。增加气流方向的温度梯度有利于减少阴极出口位置的浓度损失，改善面内异质性。

审核编辑：汤梓红