【电源学报•热点论文】贝尔福-蒙贝利亚技术大学（UTBM）高非教授-多物理域质子交换膜燃料电池建模仿真及实验测试
往期精选：电源学报 | 2019年第5期："固态变压器技术及其应用"专辑征稿启事
贝尔福-蒙贝利亚技术大学（UTBM）高非教授
多物理域质子交换膜燃料电池建模仿真及实验测试
马睿1，皇甫宜耿1，赵冬冬1，高非2
1. 西北工业大学自动化学院，西安 710072；
2. FEMTO-ST Institute, UTBM, CNRS，Belfort 90000，France
DOI：10.13234/j.issn.2095-2085.2019.2.3
基金项目：陕西省国际合作研究重点计划资助项目（2017KW-ZD-05)
背景
燃料电池技术快速发展，我国需要快速在燃料电池的相关领域进行技术突破以实现在未来汽车行业上的“弯道超车”。要想实现技术革新，作为燃料电池系统核心的燃料电池首先需要被精确建模。而对于系统级燃料电池的运行工况分析及设计，底层的燃料电池本体模型显得至关重要。
亮点
1. 相比于已有的传统经验模型，重点提出了一种一般性的多物理域燃料电池分析模型。
2. 所建模型在考虑系统应用便捷性的同时也考虑了追求模型精度的复杂性，针对不同种类的燃料电池有良好的移植性。
技术方案
从电化学域、流体力学域以及热力学动态域对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行精确建模。
1. 电化学模型：燃料电池极化曲线指示在某些运行条件下电池的电化学性能。
2. 流体力学模型：动态流体通道模型，每个通道层被视为一个控制体积 CV，再对 GDL、催化层和质子交换膜进行流体建模。
3. 热力学模型：在电池动态热模型中，通道支撑层、气体扩散层、催化层和膜层被单独建模。
测试分析
1. 燃料电池红外相机温度分布（顶部）
2. 燃料电池稳态负载实验
3. 燃料电池动态负载实验
4. 单电池电压分布曲线（运行时间150 s）
5. 单电池温度分布曲线（运行时间300 s）
6. 电池堆栈层温度
结语
1. 本文针对燃料电池复杂非线性的特点，提出并建立了一种多物理域的燃料电池建模框架，可应用于燃料电池系统的分析测试和实时仿真中。
2. 由于采用统一建模的框架结构，模型具备良好的拓展性。
3. 以此多物理域燃料电池模型为基础，可以拓展出更多有效的燃料电池系统模型及控制算法，相应的燃料电池故障诊断、老化预测等工作也可以随后展开。
西北工业大学副教授
博士，研究方向： 燃料电池系统测试， 燃料电池系统建模等。
西北工业大学副教授
博士，中国电源学会高级会员，IEEE高级会员。任陕西省新能源与混合动力国际合作基地副主任、陕西省电源学会副监事长。研究方向：电源变换技术，新能源发电技术等。
法国贝尔福-蒙贝利亚大学
能源与信息学院教授
博士，IET Fellow，IEEE Senior Member。任法国国家科研署燃料电池中心燃料电池系统设计与优化方向负责人，法国FEMTO国家实验室科学指导委员会委员，享受法国高等教育部A级杰出科研津贴。研究方向：燃料电池系统分析及设计，实时仿真及其应用等。