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动态负荷下自湿式燃料电池内部氧与水分布特性研究，通过实验获取边界参数并建立三维仿真模型，揭示功率骤升骤降对氧分质量分数和液态水饱和度时空演变的影响规律，量化不同功率波动幅度对系统稳定性的影响差异。
杨晓梅|谭皮强|方亮|庄彩华|王佩燕|徐海燕|田从峰
同济大学汽车工程学院，上海，201804，中国
摘要
在自湿润燃料电池车辆的运行过程中，功率波动对系统稳定性有显著影响。本研究首先通过在不同功率波动条件下的车辆测试获得了自湿润燃料电池系统的边界参数。接着，建立了燃料电池的三维仿真模型，并根据实验结果进行了验证。最后，利用测试获得的实验数据作为边界条件进行仿真，以探讨不同幅度功率增减对燃料电池内部氧气和水分的影响模式。研究结果表明：（1）当功率突然增加时，氧气质量分数先迅速下降，随后上升；功率增加幅度越大，稳定过程越慢，内部差异越大。当功率从7.0 kW增加到47.0 kW时，氧气质量分数在增加后3.0秒达到最低值0.120，最大差异为0.196。（2）液态水饱和度逐渐增加；当功率从7.0 kW增加到47.0 kW时，平均液态水饱和度增加到0.126，最大差异出现在功率增加后7.0秒。（3）当功率突然减少时，氧气质量分数先逐渐增加，随后下降；当功率从47.0 kW减少到7.0 kW时，氧气质量分数在减少后5.0秒达到最大值0.191，内部差异减小。（4）液态水饱和度逐渐降低，稳定过程相对较慢；当功率从47.0 kW减少到7.0 kW时，液态水饱和度从0.158降低到0.069，在功率减少后15.0秒稳定下来，内部差异也随之减小。（5）与功率减少情况相比，功率增加对燃料电池内部氧气和水分的影响更为严重，表现为更大的变化幅度、更大的内部差异以及更高的内部局部氧气匮乏和膜干燥概率。
引言
质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其高能量转换效率、零排放优势和快速响应特性，已成为新能源汽车的有前景的动力源[1]、[2]。然而，外部加湿系统的集成——传统上用于维持膜的水合状态并确保质子导电性——增加了燃料电池系统的复杂性，使其体积和重量增大，并提高了维护成本[3]、[4]。为了解决这些问题，自湿润燃料电池车辆（FCV）的研发成为该领域的关键研究方向，因为这种配置简化了系统结构并提高了运行可靠性[5]、[6]。然而，FCV在实际运行中经常伴随着功率波动——如快速加速（功率增加）和减速（功率减少）——这些波动对自湿润燃料电池的稳定性影响比稳态条件更为显著[7]、[8]。核心挑战在于功率动态与燃料电池内部氧气和水分传输行为之间的紧密耦合：一方面，突然的功率变化改变了阴极对反应物氧气的需求，如果质量传输滞后，可能导致局部氧气匮乏[9]；另一方面，缺乏外部加湿意味着膜的水合完全依赖于电化学反应产生的水分，而功率波动会破坏水分生成、蒸发和迁移之间的平衡，进一步增加膜干燥或液态水积聚（淹没）的风险[10]、[11]。这些因素不仅会降低电池的电化学性能，还会缩短其使用寿命，成为自湿润FCV商业化的重要障碍[12]、[13]。
动态负载变化对燃料电池的内部性能响应提出了重大挑战[14]。通过控制策略可以进一步减少响应时间[15]。Luo等人[16]引入了一种称为积分激光模拟逻辑控制器的新控制技术，用于调节PEMFC中的堆栈和冷却剂入口温度。结果表明，该控制策略具有低超调、调整时间短和温度控制过程鲁棒性强的优点。Li等人[17]采用级联内部模型控制（IMC）在大幅度负载变化下实现了更好的跟踪性能，并对延迟干扰具有鲁棒性。研究指出，由于电流前馈减少了时间延迟，因此具有最佳响应性的控制策略是带有风扇电流前馈控制的恒温器级联IMC。此外，许多研究人员分析了动态负载对燃料电池的影响机制及其对性能退化的影响[18]、[19]。Chen等人[20]揭示了局部质量传输能力如何基于质量传输的动态特性影响瞬态电流响应，表明响应主要取决于阴极气体化学计量比。Luo等人[21]分析了PEMFC的动态响应特性以及瞬态电流加载期间的水-气-热协同传输机制。他们发现，电流负载幅度的增加会加剧气体匮乏和膜脱水，导致响应特性恶化。Huang等人[22]对动态电压响应下的退化行为进行了深入分析，发现铂氧化和气体扩散主导了动态响应的退化，占总效应的80%以上。Lv等人[23]在-30°C下对燃料电池堆栈进行了冷启动实验，研究了堆栈结构和冷启动参数对电压均匀性的影响。结果表明，靠近阳极的侧电池表现更好，优化吹扫时间对于提高电压一致性和冷启动性能至关重要。Iman Sarani等人[24]研究了液态冷却与混合纳米复合相变材料（HNCPCM）的集成效果。结果表明，HNCPCM在温度和电压波动期间有助于冷却，分别提高了PEMFC的热效率和温度均匀性7.04%和39.76%。Kai Meng等人[25]分析了动态负载下不均匀局部电流密度分布的特性及其对燃料电池性能退化的影响，发现由氧气不足引起的密度分布不均匀性比由氢气匮乏引起的更为严重。
自湿润有多种方法[26]。Zhang[27]基于阴极排气气体循环开发了一种面向控制的氢燃料电池系统动态机制模型，分析了操作参数对燃料电池两相水传输和动态输出性能的影响。研究发现，堆栈阴极入口处的湿度过低会导致催化剂层（CL）和碳载体的腐蚀。Shao等人[28]提出使用阳极/阴极循环进行自湿润是外部加湿器的替代方案，并认为阳极循环是更优的解决方案。Wang等人[29]采用仿真方法评估了阳极和阴极自湿润循环在自湿润燃料电池中的关键影响，得出结论认为阳极自湿润循环比阴极自湿润循环更为重要，动态过程中的电流密度超调归因于氧气消耗过快。Zeng等人[30]分析了低湿度条件和可变负载下阳极和阴极之间的水分分布特性。结果表明，将CL的孔隙率控制在0.4到0.5之间可以减轻高电流密度下的阳极淹没现象，并将水分比例降低40-60%。Wang等人[31]基于三维数值模型比较了共流、自湿润和氢气循环条件下的阳极死区，分析了电流密度、电阻和反应气体分布的差异。研究发现，随着电池电流密度的增加，电流密度（分布均匀性）得到改善，气体加湿显示出显著的好处。
总之，动态负载会影响燃料电池的内部性能，甚至影响其使用寿命。目前，一些研究人员已经揭示了这一现象的机制，并提出了多种改进方法。Yang等人[32]定制了一种具有108 cm2活性面积的27段燃料电池，以测量局部电流密度和局部电压。他们指出，在高电流密度区域，局部电流密度的不均匀性更为显著，且在电流增加条件下这种不均匀性更为明显。严重的动态负载甚至可能损坏燃料电池结构。Luo等人[33]评估了阳极/阴极气体匮乏对PEMFC在动态负载下的动态响应过程的影响，表明阴极出口处的气体匮乏会阻碍质量传输，从而导致结构损坏。然而，关于功率波动下内部氧气和水分动态响应的研究仍然有限。现有的动态研究通常集中在自湿润燃料电池上，其中来自加湿器的稳定水分供应掩盖了功率变化对内部水分平衡的真实影响。对于自湿润系统，由于缺乏系统分析不同功率增幅下氧气质量分数和液态水饱和度的变化及其空间分布的异质性，阻碍了对稳定性机制的全面理解。
因此，本研究结合实验测量和三维（3D）数值仿真，研究了功率波动下自湿润燃料电池中氧气和水分的动态行为。首先，进行了实验测试以获得燃料电池系统在不同功率增减条件下的边界参数（例如，进气流量、温度）。然后建立了燃料电池的3D仿真模型，并根据实验数据进行了验证，以确保其可靠性。最后，使用经过验证的模型系统地分析了不同功率变化情景下氧气质量分数和液态水饱和度的时空变化。本研究的目标是：（1）阐明功率增减过程中内部氧气和水分的动态响应规律；（2）量化功率增减幅度对氧气和水分稳定时间和空间异质性的影响；（3）比较功率增减条件对稳定性影响的严重程度。旨在为车载自湿润燃料电池的水和气体管理策略优化提供理论支持和技术参考，从而提高其适应实际动态运行条件的能力。
部分摘录
几何模型
基于燃料电池的特性，建立了一个三维单电池模型，如图1所示。氢气和空气分别通过各自的入口流入阳极和阴极流道。在流道内，气体通过气体扩散层（GDL）到达CL。在催化剂的作用下，氢分子分解为质子（H+）和电子（e-）。电子（e-）通过外部电路定向流动，形成电流，
结果与讨论
燃料电池内部的局部区域会偏离正常值，导致诸如淹没、膜干燥或氧气匮乏等现象。为了评估燃料电池内部材料分布的均匀性，定义了Cm,i作为最大差异（范围），表示最大值和最小值之间的偏差程度。其计算公式如下：max是燃料电池内部参数的最大值，包括氧气质量分数和液态水
结论
功率波动会影响燃料电池在车辆运行过程中的稳定性。本研究使用测试获得的实验参数作为仿真的边界条件。这些参数包括氧气/氢气流量、温度、电压和压力等。研究阐明了燃料电池在功率增加和减少过程中的氧气和水分的动态响应规律，并量化了内部稳定性
CRediT作者贡献声明
杨晓梅：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析，数据管理，概念化。谭皮强：项目管理。方亮：资源，方法论，资金获取。庄彩华：方法论。王佩燕：数据管理。徐海燕：数据管理。田从峰：方法论
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国山东省重点研发计划（编号2023CXGC010210）、国家燃料电池技术创新中心（编号nctifc-sq-2024-084）、上海车辆空气动力学与车辆热管理系统重点实验室以及上海汽车风洞专业技术服务平台的支持。作者感谢编辑和匿名审稿人的建议，这些建议有助于改进论文。
