质子交换膜燃料电池仿真研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高效无污染、可在常温下工作、启动迅速等特点,被认为最有发展应用前景的燃料电池形式。本文在对质子交换膜燃料电池（PEMFC）单体进行数学建模的基础上,在SIMULINK软件平台中仿真实现,重点讨论了电池内部的传质过程。通过仿真和实验结合的办法,分析了重要参数:温度、阳极加湿程度、阴极加湿程度以及过量比对电池的稳态和动态输出情况的影响。将电池按照功能层分解,分别对各功能层进行数学描述,建立PEMFC系统级的数学模型。该模型分为传质模型和等效电路模型两部分,其中传质模型包括阴极流道、阴极扩散层气相、阴极扩散层液相、质子交换膜、阳极扩散层液相、阳极扩散层气相、阳极流道等七个模块,将相变传质、扩散传质、电化学反应紧密结合在一起,正确描述了多孔介质内部的气液两相传质现象。仿真结果表明PEMFC内部的气体传质平衡时间与电压响应时间一致,反映了气体传质速度是影响PEMFC电压响应时间的决定因素。PEMFC在工作状态变化后,扩散层内液态水的积累需要较长的时间,在102-103s数量级。结果表明PEMFC对电流跃升和突降具有不同的响应时间,在电流突降情况下的响应时间大于比电流跃升情况下的响应时间。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 背景与历史
• 1.1.2 燃料电池的原理及分类
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.3 PEMFC数学模型研究现状
• 1.3.1 PEMFC等效电路模型
• 1.3.2 PEMFC内传质现象的研究
• 1.3.3 PEMFC电堆的研究
• 1.4 目前研究情况的总结
• 2 数学模型
• 2.1 气液传质模型
• 2.1.1 气液传质模型的假设
• 2.1.2 阴极流道
• 2.1.3 阳极流道
• 2.1.4 扩散层内的气相传递
• 2.1.5 扩散层内的液相传递
• 2.1.6 质子交换膜传质模型
• 2.2 等效电路模型
• 3 实验设备
• 3.1 PEMFC实验台
• 3.2 质子交换膜燃料电池
• 3.3 本章小结
• 4 结果及分析
• 4.1 数学模型的仿真实现
• 4.2 典型工作状况分析
• 4.3 温度影响
• 4.4 压力影响
• 4.5 阳极加湿程度的影响
• 4.6 阴极加湿程度的影响
• 4.7 过量比的影响
• 4.8 连续工作状况
• 4.9 本章小结
• 5 实验验证
• 5.1 实验验证
• 5.2 实验中的不稳定现象
• 5.2.1 偶然性尖峰
• 5.2.2 大电流功率不稳定
• 5.3 本章小结
• 6 结论及未来工作展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集