摘 要

质子交换膜燃料电池以能量密度高、无污染及能量转化效率高等优势成为未来移动电源及固定电站等领域的首选电源。在军事、家用电器、交通和热电联等领域被广泛应用。随着各国政府和研究机构的大力投入，质子交换膜燃料电池的技术进步突飞猛进，但制造和维护成本高、工作寿命短和性能衰减快等问题使其无法大规模商业化生产。为了在其无法正常工作前对其剩余使用寿命进行预测，以便及时对燃料电池系统进行维修从而延长其使用寿命，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的剩余寿命预测就显得至关重要。目前对质子交换膜燃料电池的寿命预测方法有模型驱动方法、数据驱动方法和混合方法。

本文采用模型驱动方法，利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.4分别建立了质子交换膜燃料电池单电池模型和十个单电池串联而成的电堆模型，模型使用了二次电流分布、浓物质传递、Brinkman 方程、PDE方程、层流流动以及固体和流体传热等物理场。然后在燃料电池传输模型中加入老化机制，研究了三个老化因子对燃料电池性能的影响。对COMSOL的老化模型进行特定工况的计算，模拟电池堆在特定工况下的老化速率。主旨在建立一个基于物理现象的老化模型，并与开发者的加速老化的预测模型结合。并用模型并对一个特定工况下的燃料电池进行寿命预测。

关键词：质子交换膜燃料电池、单电池模型、电堆模型、寿命预测、研究展望

Abstract

Proton exchange membrane fuel cell has become the first choice for mobile power supply and fixed power station in the future due to its advantages of high energy density, no pollution and high energy conversion efficiency. It is widely used in the fields of military, household appliances, transportation and thermoelectricity. With the great investment of governments and research institutes, the technology of proton exchange membrane fuel cell is advancing rapidly. However, the problems of high manufacturing and maintenance cost, short working life and fast degradation of performance make it impossible for large-scale commercial production. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) residual life prediction is very important in order to predict the remaining life of PEMFC before it can’t work normally, so that the fuel cell system can be repaired in time to extend its service life. Currently, there are model-driven method, data-driven method and hybrid method for life prediction of proton exchange membrane fuel cell.

Based on the model driven method, using the multiphysics software COMSOL Multiphysics 5.4 respectively single proton exchange membrane fuel cell battery model is established and ten single cells in series of electric pile model, model uses the primary current distribution, transport of concentrated species, Brinkman equations, the PDE equation, the laminar flow and the heat transfer in solids and fluids .Then the aging mechanism was added into the fuel cell transport model to study the effect of three aging factors on the performance of the fuel cell. COMSOL aging model was calculated under specific working conditions to simulate the aging rate of battery stack under specific working conditions. The aim is to build a physics-based aging model and combine it with the developer's predictive model of accelerated aging. The model is used to predict the life of the fuel cell under a specific working condition.

Keywords: proton exchange membrane fuel cell, single cell model, electric reactor model, life prediction, research prospect

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1基于模型驱动方法 1

1.2.2基于数据驱动方法 2

1.2.3混合方法 2

1.3质子交换膜燃料电池概述 3

1.3.1基本原理 3

1.3.2质子交换膜燃料电池的构造 4

1.4质子交换膜燃料电池老化机理 5

1.4.1质子交换膜的衰减机理 5

1.4.2催化层衰退机理 6

1.5本文主要研究内容 8

第2章 电池模型的建立 9

2.1模型假设 9

2.2数学模型 9

2.2.1物质传输模型 10

2.2.2电化学反应模型 11

2.2.3膜内水传输模型 12

2.3模型描述 14

2.3.1几何模型 14

2.3.2边界条件 14

2.3.3网格无关性验证 16

2.4模型验证 17

第3章 燃料电池堆模型建立 19

3.1模型描述 19

3.2燃料电池堆流量网络模型 19

3.2.1流动阻力 20

3.2.2流道模型 22

3.3流量网络模型求解方法 24

3.4电池堆进口质量流量 25

第4章 燃料电池寿命预测研究 29

4.1模型的仿真计算 29

4.1.1空气进口质量流量 29

4.1.2网格数的选择 29

4.1.3冷却水流速的分布 30

4.2老化因子 31

4.2.1老化因子a1 31

4.2.2老化因子a2 32

4.2.3老化因子a3 33

4.3老化参数 34

4.3.1 ECSA对PEMFC的性能衰退影响 34

4.3.2膜电导率（σ）对PEMFC的性能衰退的影响 35

4.4特定工况下PEMFC性能衰退研究 36

4.4.1测试工况 37

4.4.2测试工况下燃料电池性能衰退的研究 37

第5章 总结与展望 40

5.1研究总结 40

5.2研究展望 40

致谢 41

参考文献 42

第1章 绪论

1.1研究背景

尽管如今我们已经开发了很多新型能源，但不可再生的化石能源依然是社会的主要能源。随着人们不断地开采化石能源，化石能源的枯竭是不可避免的。人类面临着巨大的能源危机。而且，化石能源在利用过程中不可避免的会产生二氧化碳和其他污染性烟气，对人类的生存环境有很大威胁。因此我们要寻找新型可再生能源来代替化石能源。质子交换膜燃料电池由于具有零排放、效率高、启动速度快、低温运行等优点，具有广阔的应用前景，可作为动力源应用于汽车、无人机、航海、航天等领域，也可应用于备用电源、分布式发电、家庭热电联供等领域。虽然PEMFC具有很多优点，但成本高寿命短导致其商业化进程缓慢。如果PEMFC能过批量化生产，成本会下降很多，因此PEMFC的成本问题在一定程度上能够解决。但要满足其商业化的需求，还要使其寿命达到一定条件，当作为动力源时，PMEMFC的最低使用寿命为5000小时（2015年新欧洲驱动循环目标），当用于分布式发电时，其寿命至少需达到40000小时（美国能源部(DOE)2011年目标）。要实现PEMFC大规模商业化应用，提高PEMFC的寿命时关键。因此我们研究PEMFC的衰退机理并能对其剩余寿命进行预测对于开发长寿命的PEMFC具有重要意义。

1.2国内外研究现状