质子交换膜燃料电池动态建模及特性分析.pdf

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1、第17卷第4期电化学Vol．17No．42011年11月ELECTROCHEMISTRYNov．2011文章编号:1006-3471(2011)04-0438-06质子交换膜燃料电池动态建模及特性分析1，23*13贾秋红，韩明，邓斌，张财志(1．西南交通大学新型驱动技术中心，四川成都60031;2．重庆理工大学重庆汽车学院，重庆400050;3．淡马锡理工学院工程学院，新加坡529757)摘要:根据分析质子交换膜燃料电池电压的影响因素，利用理想气体状态方程的微分形式求得氢气和氧气分压，并且结合热力学电动势及燃料电池的各种损耗，建立PEMFC的动态模型．合理设定相关参数，得到PEM-FC的稳态模

2、型，其仿真程度与实验结果有较好的吻合，表明该模型的正确性、可操作性和有效性．利用建立的动态模型分析在载荷突变的情况下，输出电压和氢气分压的动态响应特性，从而达到准确模拟实际燃料电池系统的工作性能，评价预测燃料电池的承载能力和指导燃料电池堆操作的目的．关键词:质子交换膜燃料电池;动态模型;氢气分压;载荷突变;动态响应特性中图分类号:TM911文献标识码:A燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源之学模型．以上动态模型的建立主要是采用分布参一，有可能取代热机成为主要的能量转换方式．其数模型，仿真精确度高、能够模拟电池内部状态的中质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMem-空间分布，但仿真占用

3、时间多，收敛速度慢．本文braneFuelCell，PEMFC)具有功率密度高、能量转在PEMFC经验模型的基础上，通过理想气体状态换效率高、可低温快速启动和环境友好等优点，成方程推导求得氢气和氧气分压的计算公式，建立［1-2］为了目前世界上发展最为迅速的燃料电池．到了一种PEMFC动态特性建模和仿真的简单实用目前为止，国内外已就PEMFC特性作了大量的研方法，利用Matlab/Simulink工具对电池堆在载荷究探索，并取得了重要的研究进展，其中大多是依突变情形下电池电压、反应气体压力的动态响应据稳态数学模型．相比之下，有关动态模型的研究特性模拟实际燃料电池系统的工作性能．研究结尚存在不足［

4、3-4］．而PEMFC动态特性研究对于了果表明，该方法可以应用于燃料电池的动态特性解其运行机理、优化电池结构以及系统控制非常仿真分析、优化设计和燃料电池系统的自动控制．重要．因此，近年来，燃料电池动态特性的研究已1PEMFC工作原理及电化学模型［4］成为该领域的一个热点课题．Khan等发展了一1．1PEMFC的工作原理个同时考虑电池电化学瞬态过程、传热传质和反一个典型的PEMFC由集流板、流场板、气体应气体流动过程的PEMFC非稳态模型;Hernan-扩散层、催化层和质子交换膜等组成．PEMFC以全［5］dez等应用非线性状态空间模拟方法研究了流道氟磺酸型的固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-铑/

5、内的液态水对PEMFC动态特性的影响;Buch-碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯［6］holz等用非线性系统识别方法对PEM电池堆的氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨板或表面［7］动态特性进行了研究;Francol等发展了PEMFC改性的金属板为双极板．电池电极是一种多孔气［8］瞬态分析的多尺度动态机理模型;莫志军等利体扩散电极，一般由扩散层和催化层组成，扩散层用“黑箱”模型就质子交换膜燃料电池进行了建模一般由碳纸或碳布制作，其作用是支撑催化层、收［9］与动态仿真研究;胡桂林等发展了一个依据计集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道算流体动力学的非稳态、非等温的三维两相流数和排

6、水通道．催化层则是发生电化学反应的场所，收稿日期:2011-07-09，修订日期:2011-08-17*通讯作者，Tel:(86-65)68705652，E-mail:minghan@tp．edu．sg重庆市科委自然科学基金计划项目(CSTC，2010BB4302)和重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ110810)资助第4期贾秋红等:质子交换膜燃料电池动态建模及特性分析·439·－4是电极的核心部分．ENernst=1．229－8．5×10×(T－298．15)+当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，反－514．308×10×T×(ln(PH2)+ln(PO2)2应气体经扩散层扩散，进入多孔

7、阳极的氢原子被催化剂吸附并分离为氢离子和电子，氢离子经由(5)2)活化过电压质子交换膜转移到阴极(正极)，电子在电极内传［11］递至负极(阳极)集流板经外电路负载流向阴极，由电池阴极和阳极产生的活化过电压ηact阴极催化层氢离子和氧原子结合成水分子，生成表示如下:－4的水通过电极随反应尾气排出．ηact=－0．9514+0．0032×T－1．87×10×－5电极反应如下:T×ln(i)+7．4×1