高温质子交换膜燃料电池流场优化及排水控制策略的基础研究

The high temperature PEM fuel cell (HT-PEMFC) is in line with the national new energy development strategy and has wide application prospects. The performance and life-span of HT-PEMFC can be improved by optimal design of flow field and anodic purging control. The water transfer coefficient in the membrane electrode is the key parameter of the CFD model for the optimal design of flow field. However, the water transfer coefficient, the effects of water on the HT-PEMFC performance and lifetime on the HT-PEMFC, as well as the considering the effects on the optimization design of flow field, are not comprehensively studied in publications. To solve aforementioned issues, this proposal intends to (1) carry out optimization design of flow field and purging control, (2) to discovery the coupling relationship between the water transfer coefficient with the distribution parameters(current, temperature, humidity) and operating point parameters(voltage, pressure, and gas mass flow), then modeling by least squares support vector machine algorithm, and (3) to reveal the effect of water and its distribution on the dynamic performance and lifetime of HT-PEMFC when it operates on dead-end mode. These fundamental results can be used to guide the optimal design of the flow field. A prediction model with dynamic performance and life decay will be build and used to develop control strategy of anodic purging. The project results will help improve the performance and life-span of the HT-PEMFC, enhance its reliability and the technical progress.

高温质子交换膜燃料电池符合国家新能源发展战略，具有广阔应用前景。通过流场优化和阳极排水控制可提高其性能和寿命，而水在膜电极中的传输系数是流场优化模型的关键参数。但目前关于高温质子交换膜燃料电池水传输系数的获取、水及其在电极和流场中的分布对电池性能和寿命影响规律、以及考虑该规律的流场优化设计和排水控制策略的研究尚不够深入全面。针对上述问题，本项目拟开展高温质子交换膜燃料电池流场优化及排水控制策略基础研究。探明电池中水传输系数与电流、温度、湿度等关键参数和电压、压力、气体质量流量等工作点参数的耦合关系，基于最小二乘支持向量机算法建立水传输系数计算模型；揭示电池阳极尾端关闭模式下，水及其分布对动态性能和寿命的影响规律，为流场的优化设计提供依据；建立电池的动态性能和寿命衰减预测模型，构建优化的阳极排水控制策略。项目成果将有助于提升高温质子交换膜燃料电池的性能和寿命，增强其可靠性和助推技术进步。

高温质子交换膜燃料电池在高能量密度、低运营成本的新能源电源系统和新能源汽车中有着广阔的应用前景，受到学术界、工业界和国防领域的高度关注。通过流场优化和阳极排水控制可提高其性能和寿命。针对此问题，本项目开展了高温质子交换膜燃料电池流场优化及排水控制策略基础研究。主要研究内容为（1）准确测算HT-PEMFC的水传输系数和建立其耦合关系模型：在典型工况下，基于多层PCB设计了分块燃料电池流程双极板，测量了HT-PEMFC的关键参数的分布数据和工作点参数的集中数据，基于所得数据建立了HT-PEMFC中水传输系数与多参数耦合关系的普适计算模型；（2）水及其分布对HT-PEMFC性能和寿命的影响规律：研究了在不同的启动电流下，HT-PEMFC的动态响应行为（阴极水分布、温度分布），结果显示阴极中不管是催化层中的水蒸气浓度，还是扩散层中的水蒸气浓度都出现了阶跃上升，随着电流越大，上升幅度越大，并且催化层和扩散层之间的水浓度差也增大。同时随着时间的进行，其浓度会下降趋于平衡，膜中间面进口和出口的温差随着电流的增大而增大。研究了关键材料和操作参数对HT-PEMFC蒸汽行为的影响，发现工作温度与各处的水浓度分布呈正相关关系，膜材料对于燃料电池水分布的影响根据具体使用的膜的种类而不同。建立了耦合气体交叉现象的三维数值模型，模型验证后，对水蒸气扩散系数进行了灵敏度分析，结果表明，扩散系数大于10-5m2 / s量级时，对水蒸气行为没有进一步的影响，（3）流场优化与排水控制策略研究：采用三流道HT-PEMFC模型设计了四种阴极强化传质流场结构，通过数值模拟重点研究了不同阴极强化传质流场结构对HT-PEMFC电池性能和水传输的影响，结果显示，在仅考虑性能时，最佳流场结构为：挡块型>交错型>阶梯型>楔型>直流道型。通过拟合实验数据，建立了HT-PEMFC的半经验动态电压模型，根据所得模型，设计了可以处理HT-PEMFC非线性特性的模糊控制器进行吹扫，不同电流负载下的动态电压仿真结果表明，模糊控制器对不确定负载需求情况下的吹扫具有较好的性能。