殷聪：燃料电池设计建模与多维检测技术

10月30-31日，2024汽车技术与装备发展论坛在苏州召开，政府领导，院士专家，装备、汽车及产业链企业高层齐聚，围绕“共筑汽车产业新质生产力”年度主题，聚焦新技术、新装备、新生态展开深入研讨，探索装备制造与汽车产业的融合发展路径。论坛由1场闭门会、1场开幕大会、2场特色活动和4场分论坛构成，搭建起国内首个聚焦“汽车技术与装备发展”领域的高端对接平台。其中，在2024汽车技术与装备发展论坛之氢燃料电池技术研究及测试装备论坛上，电子科技大学副研究员殷聪发表了演讲。以下内容为现场发言实录：

感谢组委会的邀请，尊敬的各位领导专家同事，下午好。很高兴为大家介绍我们团队的工作。两个部分，团队介绍和我们做的工作。首先介绍一下学校，我们是在成都的电子科技大学，欢迎大家来成都交流。这是我们团队情况，去年拍的照片，我们团队负责人是唐浩教授，我们大概有15位专职科研人员，还有50、60位硕士和博士按就生，全部是做氢燃料电池方向的。

近5年，我们也承担和参与了七项科技部的重点研发计划，还有三四项省部级的重大项目。都是氢能方向的。这个是学校的一些基本的设施，我们也很幸运，在学校里面建了一个加氢站，功率大小大概30到60千瓦，能够满足我们基本的一些测试系统、发动机的测试，电堆的测试等等。当然还有其他的一些检测手段和这个研发手段。

主要是三个方面，首先刚才王总也介绍了我们这个新的领域在国内外的一些进展和展望，我们主要看的其实燃料电池看起来，天上飞的地上跑的、水里游的都有，还能发电，啥都能干。我们这里主要讲几个方面，一个就是动物立场的一个辅助设计，第二个就是圆形样机的开发。

刚才王总了几百千瓦的发动机，电堆都出来了，其实行业发展进步还是很快的。我记得十年前的时候，当时我们做一个5000瓦的备用电源系统，5000瓦当时有一个冰箱那么大，然后满世界买不到泵。第三个是精细化的检测，也就是我讲的这个多维检测，我们也有很多同仁在一起，大家一起交流。为什么讲这三个方面呢？我想可能我们能够在燃料电池的正向开发过程当中，这三个方面能形成一个闭环。

第一个就是仿真的辅助。第二个就是设计，设计完了之后，我们有这个原位检测也好，多位检测也好，做验证。当然我后面加了机器学习、模型方面，这我解释一下，我们团队落脚在电子科大自动化学院，同学们比较愿意做右边，所以我们想办法，氢能加智能，这是多好的交叉领域就把他们忽悠过来，就可以通过右边往左边渗透。

实际上我们今天主要介绍一下左边三个形成闭环的部分，当然我们右边也做了很多工作。第一个是电池的这个仿真模拟，因为里面涉及到流体、传热传指、多相流等等，当然还有结构，反应，所以这里面还是比较复杂的，涉及到一个汽水电热的动力厂耦合的过程。当然我们描述的对象是多元的，有两向流，有离子向导电，电子向导电的，反映过程也涉及到方方面面。

我们的输入是控制方程，控制参数，根据条件，当然要做合理假设。因为我们做建模的时间，没有一个模型能够完美描述客观，必须要做合理假设。这也是任何理论模型躲不开的，我们输出能输出什么东西，我们能知道什么。第一个能得到电池的性能以及内部的分布，这对我们的正新向开发和后面的控制迭代有帮助。

第二，有的时候说不定能算出一些实验上观测不到的一些反映现象，后面会有介绍。当然我们电堆的耦合过程，我们是跟外面的系统密切相关的，比如我们流水过程，可能跟我们共氢模块，空气供给模块相关。比如我们的传热过程，可能跟我们的换热模块相关，所以整个系统围绕电堆，当然又涉及到里面的核心部件。

电堆内部我们可以看一下，里面比如有流体力学，有流到里面的层流也好，湍流也好，还有多孔介质里的流动，还有多孔电极和流道里的两项流过程，还有模拟的传输过程，还有电化气反映，我们可考虑阳极问题还是阴极OR问题。

还有热力学问题，所有模型躲不开，我们只考虑前面四个的时候，模型很好收敛，一旦加上一个T，我们会发现所有的控制方程，所有的物理化学过程温度都是相关的所以很麻烦。然而燃料电池里的温度是不均匀的，无论是模电极的纵向分布，还是流场的平面分布，温度问题是很麻烦的事。

这是我们做的一些结果，包括里面的流场分布、液态水分布以及膜电极上面的反应电流的分布。这个分布算出来了，我们刚才算出来就是对的吗？大家都会打一个问号，所以后面要测，以及里面温度分布。

第二就是员型样机的开发，因为我们今天这是汽车技术装备发展论坛，我这里面讲了两个部分，一个是小功率电池，还有一个大功率，小功率是5-10千瓦内，第二是大功率模块，这前几年百千瓦还算大功率，现在200千瓦、400千瓦都出来了，功率越来越大。

我们看小功率可以用到无人机上，当然我强行往论坛主题靠，低空经济也可以用，飞行汽车等，当然功率不够。我们干了一件事情，用了大疆的飞行平台，把锂电池都拿掉，把小功率的燃料电池放上去，当然要做轻量化，要做功率密度、燃料密度提升，这里面涉及到轻量化电堆设计和系统集成。

我们也对比了金属板电堆和石墨板电堆的优劣到底在哪里，到底有什么问题。包括我们石墨板电堆里，我们怎么去设计散热增强，有空能本质，就是管一个温度，刚刚提了T的事情。水和热又是密切相关的，温度管住了，水就管住了，水管住了，膜电级的导电能力就管住了。

第二金属空能电镀，我们可以感到0.08毫米的不锈钢板去冲压，一片板子大概10克左右，所以做轻量化做到最后，是一克一克去扣，当然由于这里面带来了反映流和非反映流的，会形成一个更强的保水作用，所以相对湿度在里面可以提高一倍以上。

同时降温能力更强。我们也做了实际堆的制备，以及他们反映性能的对比，包括里面模型的对比。这是在学校里，操场上进行试飞，我们学校比较有意思，大部分团队做无人机很多，大部分是做飞控、多智能体，多飞机一体的协同控制。我们做不了这个，我们只做动力系统，把电池换掉，这里面涉及到燃料电池和锂电池的氢点混动的过程。当然还需要一个小锂电，他们之间功率怎么匹配，控制怎么优化。

讲到交通领域，这个堆可能不太一样，包括系统也不太一样，考虑的东西可能主要是液冷，因为功率密度比较高，工作电大家都做到两安培每平方厘米以上，有的峰值做到3，这里面讲了，我们做了几件事情，前几年做的。比如说这个波形流场，这波形流场大家见到很多，本田、GM、丰田的二代也是波型的。

我们阳极和阴极的这个波形到底是不是对称的，我们当时突发奇想，可能阳极阴极，我们做一个不对称法，可能180度，就形成交联状态，如果我们把它做到金属板里去，阳级和因级的流道形成交联的一个过程，他们阳级板和阴级板的背面形成的冷却流也是交联的。这个时候也就是说什么一个非对称的冷却流道，他们会形成一个很有意思的一个效果。这个也是我们始料未及的，模型给算出来了。

我们可以看到这个冷却流道里面，因为大家有很多的金属板电堆。金属板电堆它是阳极和阴极板的背面，因为冲压出来的背面它是两层流道，两层流道如果形成不对称结构的时候，可能看到在他们相切的位置，形成了一个二次流，这个二次流是垂直于膜电机方向，流速是一次流速的25%，也就是增强了成千换热的这个效果，而我们知道电堆最后的换热是一个非常重要的一个限制。

第二就讲一讲自增湿设计，这个也是当时老师提的一个想法，我们把它做了一些仿真和这个设计。我们知道现在主流的电推，刚才跟上汽张总也一直在讨论，我们现在电堆主流设计有哪些方面。现在主流设计右边四个图，都有配流区，就是所谓的分配区，还有反应区，反应区有的是规则的，有的是不规则的，而配流区就各家都有各自的设计方案了，有的是三角形的，有的是梯形的，D2还是本田上一代的，奇形怪状的，但是各家都有各家的好处。

配流区是让气体的流动分配的更均匀，但是不反应，同时这部分也没有水热的交换。在配流区我们看看让它也反应行不行，也就是说咱们的反应区就是一个不规则的反应区，或者我们不让配流区反应，只让配流区能够像正常的膜一样传水传热，有什么效果。

最后我们对比了一下，发现能够带来一定的自增湿效果，当然如果我们让它反应，它也能增湿，但是均匀性变差了，这里面怎么去平衡，可能各家都有自己的想法。

我们把里面的水含量分布和反应电流的分布全都算出来，包括不同的设计思路进行详细的对比，无论是性能上还有所谓反应区的利用率上，还有耗材的成本上以及一致性上都做了对比。

刚才算也算了，设计也设计了，我们检测一下到底行不行，我们一般的检测就是测它的电压，电堆上我们测CVM，用巡检，以AI性能来代表燃料电池的性能，但是我们不知道里面发生了什么，刚才王总也讲了，反应区电堆很大，反应区可能300、400平方厘米甚至以上，这个里面我们可能反应是不均匀的，所以我们把它测一测。

测的过程，这是美好的愿景，一个是参数要越来越多，能不能把反应电流测出来，温度测出来，压力测出来、湿度等等，第二个是维度上，我们能不能拓展到整个平面二维的甚至电堆三维的，多维度怎么去检测。

这里面有一个开发思路，首先我们针对既定的电堆、既定的堆型，怎么去里面布置传感器，形成分区的检测，把一个400平方厘米、300平方厘米分成各个板块，然后采出来的信号怎么进行放大处理，怎么进行调理，再到后面高速数采，再到数据的处理以及可视化。

这里面是我们设计的几个板子，我们自己商用车上的堆是406平方厘米，我们大概分了396个分区，接近一平方厘米一个分区，在这种情况下去看每个地方的反应分布，这是大致信号调理模块，我们把一节电池分成三四百区域之后，这个信号怎么去调理、怎么放大，最后怎么去显示。当然还有高速数采，因为涉及到多通道采集的问题，还有数据的管理和可视化以及后续的分析。

这是我们实验室自己做的一套多维检测装置，它跟燃料电池测试系统是相对独立的，因为燃料电池的运行需要一套测试系统去运行它，在运行的过程当中我们在线的去检测它里面的分布过程，是这样一个逻辑。

当然还有精度的有效性验证，测出来之后到底准不准，我们每个分区独立去验证它的采集精度，基本上能做到正负1%以内。

这是稳态过程当中，升降采过程当中我们测的一些电流密度分布，当然还有动态过程，这里是启动过程的一个动态电流分布，可能大家都知道燃料电池启动过程会面临清空界面的问题，但实际上我们在做发动机也好，大电堆也好，我们在检测的时候如果只检测电压，在通氢气和氧气的那一瞬间，我们只看到电压从0到了OCV（开路电压），但实际上它里面发生了像海浪的情况，我们把它叫浪涌电流，这个情况大家平时看不到的，但是用分区检测我们可以把它测出来，而且分辨率比较高，同时采集精度比较高，所以才能把动态的采出来。

采出来有什么用呢？我们可以看到在这个过程当中，这个浪有的时候跑到了0以下，代表的是负电流，我们的正电流就是正常的氢氧燃料电池反应的过程，负电流就是逆过程，当然逆过程会导致局部的阴极高电位，这个逆过程除了部分电流电池的电解水，但是也有一部分把催化剂的炭载体给干掉了，这就是我们启停过程造成衰减的本质。

我们大巴车上做过对比实验，两台完全一样的大巴车，两台完全一样的发动机，都是75千瓦的，一样的电堆设计，我们只改了一个值，就是电堆的启停频率，一天比如说启停2次和一天启停5次，衰减率下降，差值非常大，并不是说启停这个问题是从文献来的，是从我们实际生活中来的，工程实践中来的。

这个过程我们通过动态的多物理场模拟把它算出来的，算出来有什么好处呢？因为我们知道负电流测出来了，但是负电流有哪些反应组成、构成，我们是不清楚的，我们刚才讲过负电流的构成有的是可逆的，还有的是不可逆的碳腐蚀过程。我们需要把启停过程的碳腐蚀过程给表征出来，才知道每次启动过程对我们催化剂的衰减，量化是多少，才能去优化我们后面的启停策略，这是实验和模型相对比的一个工作，模型里面发现了现实生活中测不到的一些东西，当然其他还有一些稀奇古怪的工况，我们也是可以通过分区检测或者模型去把它算出来或者测出来。

这个是测出来了，缺氧过程，我们可以看到空气进口的电流陡然上升，空气出口的电流变成蓝色的，但是这个蓝色并没有掉到0以下，接近0，趋近于0。缺氢过程，氢气进口处对于电流陡然上升，出口处变蓝了，但是这个蓝掉到了0以下，这就是大家熟知的反极。

在缺氢过程，我们有一位同学把我们一张膜电极干掉了，他做了什么事情呢？缺氢过程他忘了记时间，我说你缺5秒钟就行了，他忘了记时间，结果他缺了两分钟，我们只看到电压一直掉，掉到0以下了，回来处理数据的时候发现我们出现了第三幅图，因为缺氢过程到了一定程度，把膜烧穿孔了，膜烧穿孔之后就会出现瀑布那样的形状，但是我们实际跑的时候，我们只知道我们的电压只能跑到0.55伏，0.6伏都跑不上去了，原因就在孔那个位置。

当然后面还涉及到温度怎么样，我们现在也正在做电流和温度同时的采集，怎么去集成到一张板子上，同时集成度还非常高，还能达到同样的分辨率，这是正在做的事情，目前这个板子也做的差不多了。

这是今天汇报的主要内容，谢谢大家！

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）