本文亮點(diǎn)：1、建立了110kW的大功率燃料電池模型，模型經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可靠性高 2、探究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃料電池一致性的影響研究，為后續(xù)燃料電池?zé)峁芾硖峁┲笇?dǎo)
摘 要 隨著燃料電池堆朝著大功率發(fā)展，其工作時(shí)單體間的不一致性更加明顯，長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣工作條件的單體壽命會(huì)明顯短于其他單體，并導(dǎo)致電池堆的壽命大幅縮減。為探究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)大功率燃料電池單體工作性能一致性的影響規(guī)律，首先，建立了包括流體網(wǎng)絡(luò)模型、燃料電池電壓模型和燃料電池?zé)嶙枘Ｐ腿齻€(gè)部分的110 kW大功率燃料電池模型。其次，開(kāi)展燃料電池穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)所建立的燃料電池模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以?xún)?nèi)。最后，基于模型仿真，以電壓最大偏差率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別探究工作電流、冷卻水流量和冷卻水進(jìn)口溫度三個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃料電池電壓一致性的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，工作電流對(duì)燃料電池單體電壓一致性的影響程度更大，其次是冷卻水進(jìn)口溫度，最后是冷卻水流量。本研究有助于大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及為熱管理控制策略開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞 燃料電池；電壓一致性；最大偏差率
隨著人類(lèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度提高，一系列政策的制定推動(dòng)著燃料電池普及與應(yīng)用。其中質(zhì)子交換膜燃料電池，憑借其功率密度高、體積小以及工作溫度低等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于燃料電池車(chē)以及儲(chǔ)能場(chǎng)景中。然而燃料電池對(duì)工作溫度要求苛刻，長(zhǎng)期處于過(guò)高或過(guò)低溫度工作的電池，其壽命將顯著短于其他工作在正常溫度的電池，這也會(huì)導(dǎo)致燃料電池堆的“短板效應(yīng)”顯現(xiàn)，使得電池堆的壽命將由壽命最短的單體決定。燃料電池堆在工作時(shí)由于結(jié)構(gòu)布置、運(yùn)行狀態(tài)和冷卻方式不同等原因，存在溫度分布不均勻的問(wèn)題。并且隨著車(chē)用燃料電池的應(yīng)用，燃料電池也將朝著大功率發(fā)展，大功率燃料電池的熱分布特性將變得不同，局部一致性變差的問(wèn)題更加凸顯。
目前對(duì)于燃料電池單體一致性的研究主要采用仿真方式進(jìn)行。現(xiàn)有常見(jiàn)的燃料電池堆仿真研究方法包括建立燃料電池堆的一維模型、二維模型和三維模型。Baschuk等建立了含50個(gè)單體電池的流體網(wǎng)絡(luò)模型，仿真結(jié)果表明，通過(guò)增加歧管的尺寸，減少每個(gè)雙極板的氣體流動(dòng)通道的數(shù)量，以及合理地改變氣體流動(dòng)通道中的流阻，有助于燃料電池堆內(nèi)反應(yīng)物的均勻分布。趙巖等采用燃料電池流道簡(jiǎn)化方法和壓力速度耦合算法數(shù)學(xué)模型對(duì)30~50節(jié)燃料電池進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明采用Z形結(jié)構(gòu)的空氣分布均勻性比U形好，并且增加歧管寬度有利于改善氣體分布。Yang等基于Z形歧管，考慮每個(gè)燃料電池內(nèi)部的流量分布以及反應(yīng)、相變和傳輸過(guò)程，建立了包含5節(jié)單體的1+1維多相電堆子模型和流量分布綜合電堆模型，仿真結(jié)果表明，增加入口壓力對(duì)反應(yīng)物分布均勻性的影響不大，但它提高了電堆工作性能，并且采用更大的歧管橫截面積能夠使電池之間的反應(yīng)物分布更均勻。同時(shí)Yang等建立了考慮了摩擦和局部壓降損失以及膜水、液態(tài)水、氣體組分和熱量的耦合傳輸過(guò)程的二維電堆模型，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)如果歧管的橫截面積相對(duì)較小，U形結(jié)構(gòu)可以比Z形結(jié)構(gòu)獲得更好的反應(yīng)物分布均勻性，這有助于減小整個(gè)電堆的幾何尺寸。Asgharian等建立了考慮雙極板流道的歧管10節(jié)燃料電池三維模型，通過(guò)CFD仿真，結(jié)果表明歧管的直徑增加能夠使流道中氣體分布更均勻。Huang等建立含100、200、300個(gè)單體燃料電池的歧管三維模型，基于CFD仿真的手段，結(jié)果表明，隨著燃料電池個(gè)數(shù)增加和工作電流增大，歧管流量分布更加不均勻。
目前針對(duì)燃料電池的建模仿真，大部分研究只考慮了燃料電池氣體歧管結(jié)構(gòu)、電壓或溫度其中某一個(gè)或者某幾個(gè)因素。針對(duì)燃料電池堆性能一致性的研究，多數(shù)研究主要聚焦在流量分布上，而電池堆實(shí)際工作時(shí)，氣體流量、電壓和溫度之間存在耦合關(guān)系，相互影響。并且現(xiàn)有研究的燃料電池存在功率小的問(wèn)題，而針對(duì)大功率電池堆性能一致性的變化規(guī)律尚未明確。
因此針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本工作以某款110 kW大功率燃料電池為研究對(duì)象，建立考慮流量、電壓和溫度分布的燃料電池多參數(shù)耦合模型，通過(guò)燃料電池穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并且基于該模型仿真結(jié)果探究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃料電池單體電壓一致性的影響規(guī)律。本研究旨在提高燃料電池工作時(shí)單體性能的一致性并提高燃料電池的使用壽命，為后續(xù)燃料電池堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱管理策略設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
1 燃料電池理論模型建立
本工作所建立的燃料電池模型包括：流體網(wǎng)絡(luò)模型、燃料電池電壓模型和燃料電池?zé)嶙枘Ｐ腿糠帧Ｊ紫葘⑷剂想姵爻跏紲囟纫约翱偟臍怏w流量代入流體網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算并更新單體氣體分布結(jié)果，其次將單體氣體分布結(jié)果代入燃料電池電壓模型計(jì)算并更新單體電壓結(jié)果，最后將電壓結(jié)果代入燃料電池?zé)嶙枘Ｐ陀?jì)算并更新溫度，而溫度也會(huì)影響氣體流量和電壓結(jié)果，因此需要進(jìn)行迭代計(jì)算，并且在模型當(dāng)中額外考慮了流道結(jié)構(gòu)的局部損失、冷卻水流量分布和燃料電池接觸熱阻等因素的影響。
1.1 流體網(wǎng)絡(luò)模型
本工作所研究的110 kW大功率燃料電池堆的陽(yáng)極歧管、陰極歧管和冷卻水歧管布置均采用“U形”結(jié)構(gòu)布置即流體的進(jìn)口和出口在同一側(cè)，其中陽(yáng)極歧管和陰極歧管進(jìn)出口均在電堆的右側(cè)，冷卻水進(jìn)出口在電堆的左側(cè)，如圖1所示。
圖1 大功率燃料電池堆歧管布置方式
流體網(wǎng)絡(luò)模型主要用于計(jì)算陽(yáng)極氣體、陰極氣體以及冷卻水的流量分布，由于計(jì)算流程和內(nèi)容相似，本工作以陽(yáng)極和陰極氣體為例。如圖2所示的“U形”流體網(wǎng)絡(luò)圖，反應(yīng)氣體從進(jìn)氣歧管進(jìn)入，然后分配到每一個(gè)電池，最后從排氣歧管流出，在流動(dòng)過(guò)程中反應(yīng)物的物性參數(shù)會(huì)受到單體溫度的影響，同時(shí)遵循能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，通過(guò)計(jì)算得到反應(yīng)氣體在每塊電池中的質(zhì)量流量，為后續(xù)構(gòu)建燃料電池電壓模型提供輸入。
圖2 “U形”燃料電池堆流體網(wǎng)絡(luò)圖
1.2 燃料電池電壓模型
1.3 燃料電池?zé)嶙枘Ｐ?/strong>
通過(guò)燃料電池電壓模型得到每塊電池的電壓以后，即可計(jì)算出每塊電池的產(chǎn)熱，本研究建立了帶有散熱模塊的電池堆熱阻模型。散熱形式是在相鄰兩個(gè)單電池中間加入一個(gè)冷卻板。
燃料電池主要產(chǎn)熱的區(qū)域是在陰極催化層內(nèi)，H+通過(guò)之間的交換膜，到達(dá)陰極催化層與O2發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生由于反應(yīng)熵變引起的可逆熱，燃料電池堆產(chǎn)生的熱量Q為：
圖3 燃料電池?zé)嶙枘Ｐ褪疽鈭D
燃料電池的接觸熱阻主要有四個(gè)部分：氣體擴(kuò)散層和雙極板之間的接觸熱阻、氣體擴(kuò)散層和微孔層之間的接觸熱阻、微孔層和催化層之間的接觸熱阻以及催化層和質(zhì)子交換膜之間的接觸熱阻。其中氣體擴(kuò)散層和微孔層之間的熱阻常用在微孔層和擴(kuò)散層之間增加一層微孔層-擴(kuò)散層集成區(qū)來(lái)代替。由于催化層與氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜接觸好、接觸熱阻較小，計(jì)算時(shí)可以忽略這部分熱阻。
同時(shí)根據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到單體冷卻水流量分布，可以計(jì)算單體散熱量。燃料電池主要通過(guò)冷卻水與雙極板對(duì)流換熱來(lái)帶走燃料電池產(chǎn)生的熱量，其帶走的熱量為：
根據(jù)公式(17)~(21)相應(yīng)的熱阻以及產(chǎn)熱和散熱量對(duì)每塊單體建立熱平衡方程，通過(guò)求解熱平衡方程組，即可得到每塊電池的內(nèi)部溫度分布結(jié)果。
1.4 計(jì)算流程
通過(guò)上文可以得出，電池堆的溫度分布將會(huì)影響單個(gè)電池的性能以及反應(yīng)物的一些物性參數(shù)，而單體電池之間不同輸出性能下產(chǎn)生的熱量又會(huì)影響整個(gè)電池堆的溫度分布，所以燃料電池堆模型是需要迭代計(jì)算的。將所建立的燃料電池模型在MATLAB中計(jì)算，其計(jì)算流程如圖4所示。
圖4 燃料電池模型計(jì)算流程圖
（1）在初始計(jì)算中，輸入氫氣、空氣、冷卻水進(jìn)口總流量和溫度等運(yùn)行參數(shù)以及歧管尺寸、單體數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并初始化燃料電池單體溫度、氫氣流量、空氣流量和冷卻液流量分布；
（2）根據(jù)單體溫度、氫氣流量、空氣流量和冷卻液流量分布，通過(guò)流體網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算并更新每塊電池的氫氣流量、空氣流量和冷卻液流量分布；
（3）將單體的氫氣流量、空氣流量以及溫度分布結(jié)果代入燃料電池電壓模型，計(jì)算并更新每塊電池的電壓分布；
（4）根據(jù)燃料電池電壓和冷卻水流量分布，分別計(jì)算單體產(chǎn)熱量和散熱量，通過(guò)燃料電池?zé)嶙枘Ｐ?，?jì)算并更新每塊電池的溫度分布；
（5）比較本次溫度計(jì)算結(jié)果與上次溫度結(jié)果的差值是否小于誤差要求，如果大于誤差，則將本次計(jì)算的溫度分布代入步驟(2)中的流體網(wǎng)絡(luò)模型重新進(jìn)行計(jì)算；如果滿(mǎn)足要求，則輸出結(jié)果。
2 燃料電池模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證
本試驗(yàn)對(duì)象選用某款110 kW大功率燃料電池并基于開(kāi)發(fā)的燃料電池?zé)峁芾頊y(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，燃料電池部分參數(shù)如表1所示。
表1 燃料電池部分參數(shù)
根據(jù)GB/T 24554—2022《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，首先對(duì)燃料電池進(jìn)行熱機(jī)過(guò)程預(yù)處理，然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程功率和工作電壓隨電流的變化和部分運(yùn)行參數(shù)隨電流的變化如圖5所示。
圖5 部分運(yùn)行參數(shù)隨電流的變化
將圖5所示的燃料電池相關(guān)運(yùn)行參數(shù)代入所建立的燃料電池模型中，通過(guò)MATLAB進(jìn)行計(jì)算，可以得到每塊單體電池的氣體流量、電壓、溫度等結(jié)果。由于在試驗(yàn)中單體電壓和溫度結(jié)果較氣體流量方便獲取，本工作將從試驗(yàn)中獲得單體電壓和溫度進(jìn)行仿真模型有效性驗(yàn)證。
其中不同電流下燃料電池單體平均電壓的仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，可以看出隨著工作電流的增大，燃料電池單體平均電壓減小，并且仿真和試驗(yàn)結(jié)果誤差在3%以?xún)?nèi)。
圖6 燃料電池單體平均電壓的仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
按照離氣體進(jìn)口的距離從近到遠(yuǎn)對(duì)燃料電池單體進(jìn)行編號(hào)。將試驗(yàn)臺(tái)架記錄的電池單體電壓與仿真電壓進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示，燃料電池單體電壓仿真與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在5%以?xún)?nèi)，證明了模型可靠性較高。同時(shí)隨著工作電流的增大，燃料電池單體的電壓變小，燃料電池單體電壓的不一致性越來(lái)越明顯，并且從整體上看，靠近氣體進(jìn)口側(cè)的電壓比遠(yuǎn)離氣體進(jìn)口側(cè)的電壓高，這符合“U形”進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并且靠近燃料電池兩端的單體電壓會(huì)低于其他單體電壓。
圖7 不同工況下燃料電池單體仿真電壓與試驗(yàn)電壓對(duì)比
在試驗(yàn)時(shí)，一般把冷卻水出口位置的溫度作為燃料電池堆的平均溫度。將仿真計(jì)算得到的每塊單體電池溫度進(jìn)行平均處理得到電池堆的平均溫度，其結(jié)果如圖8所示，可以看出隨著工作電流的增大，電池堆的平均溫度也在增加，并且仿真平均溫度和試驗(yàn)冷卻水出口溫度誤差在2%以?xún)?nèi)。
圖8 燃料電池仿真平均溫度和冷卻水出口溫度對(duì)比
同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)配備的紅外測(cè)溫設(shè)備可以獲得燃料電池工作時(shí)表面的溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)獲得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和修正，得到如圖9所示的結(jié)果，絕大部分仿真誤差在5%以?xún)?nèi)，證明了模型可靠性較高。同時(shí)從圖中可以看出，燃料電池單體溫度隨著工作電流增大而增加，并且溫度分布變得更不均勻，從整體上看靠近氣體進(jìn)口側(cè)的溫度比遠(yuǎn)離氣體進(jìn)口側(cè)的溫度高，并且靠近兩端的單體溫度要低于平均溫度，同時(shí)工作電流較大時(shí)，兩端單體溫度會(huì)明顯低于平均溫度。這與單體電壓的變化規(guī)律相似。
圖9 不同工況下燃料電池單體仿真溫度與紅外溫度對(duì)比
3 運(yùn)行參數(shù)對(duì)單體性能一致性的影響
從上述試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，燃料電池在工作時(shí)，單體性能存在不一致性，而在試驗(yàn)過(guò)程中電流變化的同時(shí)，冷卻水溫度與流量等參數(shù)也在發(fā)生變化。為更好地探究不同參數(shù)對(duì)燃料電池單體性能一致性的影響規(guī)律，本工作以660 A的試驗(yàn)工況（工作電流為660 A，冷卻水流量為230 kg/min，冷卻水進(jìn)口溫度為72 ℃）為基準(zhǔn)，分別探究電流、冷卻水流量和冷卻水進(jìn)口溫度三個(gè)運(yùn)行參數(shù)對(duì)單體性能一致性的影響。為使仿真更貼近實(shí)際使用情況，保證燃料電池工作在正常的溫度區(qū)間（65～85 ℃），本工作探究的燃料電池工作電流為60～780 A，冷卻水流量為120～420 kg/min，冷卻水進(jìn)口溫度為50～80 ℃。
通過(guò)所建立的燃料電池模型進(jìn)行仿真。由于燃料電池堆壽命取決于性能最差的單體，并且電壓可以反映燃料電池的工作性能，所以有必要對(duì)單體電池電壓最大值和最小值與平均值的偏離程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本工作以電壓最大偏差率圖片來(lái)評(píng)價(jià)燃料電池單體的一致性，其中電壓最大偏差率圖片計(jì)算公式為：
3.1 電流對(duì)單體電壓一致性的影響
當(dāng)電流作為唯一變量時(shí)，探究電流從60 A到780 A時(shí)燃料電池電壓一致性的變化規(guī)律，其仿真結(jié)果如圖10所示。可以看出隨著電流增大，燃料電池的電壓減小，當(dāng)燃料電池在較小的工作電流下時(shí)（300 A以下），單體電壓一致性隨著電流增大變化不明顯，但是處于大工作電流下時(shí)（300 A以上），單體電壓一致性隨著電流增大而變差，相較于300 A時(shí)，電流每增大10%，最大偏差率平均增大13%。
圖10 電流為唯一變量的仿真結(jié)果
究其原因?yàn)楫?dāng)工作電流為唯一變量時(shí)，燃料電池單體散熱基本不變，燃料電池堆的溫度主要由產(chǎn)熱決定，而產(chǎn)熱跟工作電流有關(guān)，工作電流增加則會(huì)導(dǎo)致燃料電池的歐姆損失和活化損失增大，如圖11所示，可以得出歐姆損失和活化損失以及對(duì)應(yīng)的極差均隨著電流的增大而變大，但是歐姆損失的極差變化幅度隨著電流的增大而增大，而活化損失的極差變化幅度隨著電流的增大而減小，當(dāng)工作電流從60 A變化到300 A，歐姆損失極差增加了1 mV，活化損失極差增加了0.5 mV；當(dāng)工作電流從300 A變化到720 A，歐姆損失極差增加了5 mV，活化損失極差增加了0.3 mV。而歐姆損失主要在中等電流密度（0.15~1.2 A/cm2）下起作用，這也是導(dǎo)致當(dāng)燃料電池在300 A電流以下時(shí)單體電壓不一致性的變化幅度隨著工作電流的增大而減小，在300 A電流以上時(shí)，單體電壓不一致性的變化幅度隨著工作電流的增大而增加的原因。因此單體電壓的一致性將由歐姆損失和活化損失決定，同時(shí)工作電流對(duì)單體歐姆損失的影響較單體活化損失更大，因此這也使得燃料電池的工作性能一致性隨工作電流的升高而降低。
圖11 電流為唯一變量的歐姆和活化損失極差
3.2 冷卻水流量對(duì)單體電壓一致性的影響
當(dāng)冷卻水流量作為唯一變量時(shí)，探究流量從120 kg/min到420 kg/min時(shí)燃料電池電壓一致性的變化規(guī)律，其仿真結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，隨著冷卻水流量增大，燃料電池的電壓變小，單體電壓一致性變好，相較于420 kg/min，流量每減少10%，最大偏差率平均增大8%。但是當(dāng)流量增大到一定程度時(shí)，此時(shí)再增大流量對(duì)單體電壓一致性改善不大。
圖12 冷卻水流量為唯一變量的仿真結(jié)果
究其原因?yàn)楫?dāng)冷卻水流量為唯一變量時(shí)，此時(shí)燃料電池產(chǎn)熱一定，燃料電池堆的溫度主要由散熱決定，而散熱主要與冷卻水流量有關(guān)，呈反比關(guān)系。當(dāng)流量大到一定程度時(shí)，對(duì)降低燃料電池的溫升作用不明顯，但是會(huì)額外增加泵的能耗。而單體溫度的一致性則會(huì)影響單體電壓的一致性，由于冷卻水流量增大，燃料電池堆的溫度降低，則會(huì)導(dǎo)致燃料電池的歐姆損失增大和活化損失增大，但是會(huì)使單體間溫差變小，使得歐姆損失和活化損失的極差變小，如圖13所示，當(dāng)冷卻水流量從120 kg/min變化到420 kg/min時(shí)，歐姆損失極差降低6 mV，活化損失極差降低了1 mV，因此燃料電池工作性能的一致性隨著冷卻水流量增加而提高。因此在實(shí)際工作時(shí)，冷卻水流量的選擇應(yīng)該結(jié)合工作電流、系統(tǒng)能耗以及燃料電池的工作溫度區(qū)間進(jìn)行確定。
圖13 冷卻水流量為唯一變量的歐姆和活化損失極差
3.3 冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)單體電壓一致性的影響
當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度作為唯一變量時(shí)，探究溫度從50 ℃到80 ℃時(shí)燃料電池電壓一致性的變化規(guī)律，其仿真結(jié)果如圖14所示。隨著冷卻水進(jìn)口溫度增大，燃料電池的電壓上升，雖然燃料電池的溫升沒(méi)有明顯變化，但是單體電壓一致性變好，相較于80 ℃，進(jìn)口溫度每減少10%，最大偏差率平均增大20%。
圖14 冷卻水進(jìn)口溫度為唯一變量的仿真結(jié)果
究其原因?yàn)楫?dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為唯一變量時(shí)，燃料電池堆的產(chǎn)熱和散熱基本不變，溫升基本不變，因此冷卻水進(jìn)口溫度將決定燃料電池堆穩(wěn)定后的溫度，這將會(huì)影響燃料電池的電壓。隨著冷卻水進(jìn)口溫度降低，燃料電池堆的溫度降低，燃料電池的歐姆損失和活化損失增大，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度從50 ℃變化到80 ℃，歐姆損失極差降低3 mV，活化損失極差提高0.9 mV。所以單體工作性能不一致性將由歐姆損失和活化損失決定，雖然單體活化損失的一致性隨著冷卻水進(jìn)口溫度升高而降低，但是由于單體歐姆損失的一致性隨著冷卻水進(jìn)口溫度升高而提高，并且較單體活化損失，冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)歐姆損失的一致性影響更大，因此這也使得燃料電池工作性能一致性隨冷卻水進(jìn)口溫度升高而提高。雖然冷卻水進(jìn)口溫度升高，可以改善單體性能以及提高其一致性，但是這會(huì)使燃料電池的工作溫度過(guò)高，超過(guò)正常的工作溫度區(qū)間，反而導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的破壞，進(jìn)而使得燃料電池壽命減短。因此在實(shí)際工作時(shí)，冷卻水進(jìn)口溫度應(yīng)當(dāng)合理選擇，一般控制在65～70 ℃。
4 結(jié) 論
本工作建立了110 kW大功率燃料電池模型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并基于該模型探究了電流、冷卻水流量和冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)單體電壓一致性的影響，主要獲得了以下幾點(diǎn)結(jié)論：
圖15 冷卻水進(jìn)口溫度為唯一變量的歐姆和活化損失極差
（1）建立燃料電池多參數(shù)耦合模型，并進(jìn)行燃料電池穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，平均電壓和溫度誤差在5%以?xún)?nèi)，模型精度較高；
（2）基于試驗(yàn)與仿真的單體電壓和溫度分布結(jié)果，單體電壓和溫度的分布規(guī)律相似，整體上呈現(xiàn)靠近氣體進(jìn)口側(cè)高，遠(yuǎn)離氣體進(jìn)口側(cè)低的特點(diǎn)，但是靠近燃料電池堆兩端的單體電壓和溫度會(huì)明顯低于其他單體；
（3）工作電流、冷卻水流量和冷卻水進(jìn)口溫度的變化主要影響了電池堆的溫度，導(dǎo)致歐姆損失和活化損失發(fā)生改變，而其中活化損失受到的影響更大，進(jìn)而使單體電壓一致性發(fā)生改變；
（4）在探究運(yùn)行參數(shù)對(duì)單體電壓一致性影響的研究中，按影響程度的大小排序依次為工作電流、冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水流量。
