考虑水传输的质子交换膜燃料电池系统特性仿真研究

论文摘要

随着全球经济的高速发展,人类正面临着日益严峻的能源危机和环境污染形势,开发环境友好的新能源利用技术已经成为新世纪世界各国必须解决的重大课题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为新一代的移动和固定电源技术,已经得到了世界范围内的高度关注。PEMFC是一种将蕴含在燃料和氧化剂内的化学能直接转换成电能的电化学发电装置,因其工作温度低、装置轻便噪音低、发电效率高、无污染等优点而在车辆动力电源、移动电源及分布式电站等方面具有非常广阔的应用前景。为了给PEMFC的实际应用提供理论指导和技术支持,必须对它进行系统的建模仿真和模拟分析。由于数学模型的精确程度直接影响到仿真模拟结果的应用价值,因此建立更加精确的数学模型成为课题研究的关键之一。论文简述了燃料电池的特点、分类和各种燃料电池的发展应用现状；着重介绍了PEMFC的工作原理和各个重要组成部件的工作机理和功能；并以此为基础对燃料电池数学模型的研究进行了综述,确定了课题研究的方向。以PEMFC的整体为研究对象,通过经验建模的方法建立了稳态、集总参数的PEMFC单电池数学模型。通过仿真得到了PEMFC单电池的输出特性参数与工作温度、电流密度之间的三维关系图,并以此为依据进一步分析了工作温度,反应气压力和电流密度等对于PEMFC性能的影响。在稳态集总参数模型、电化学模型和水传输模型的基础上,根据传热、传质方程和质量、能量守恒等原理建立了一个考虑水传输的非稳态PEMFC模型。分析了在反应气压力和电池工作温度恒定的情况下,负载的突变对单独的PEMFC电压、功率和效率的影响,指出PEMFC运行在欧姆极化区域中所对应的输出功率范围内比较合适,此时的输出特性比较稳定,输出电压波动不大。考虑了电池的温度、反应气压力和流量等因素,在负载电阻阶跃变化的情况下,仿真了了电池电压、温度、反应气流量以及压力、功率等的动态响应,并重点分析各种因素对电池温度的影响。结果显示为了使PEMFC发挥其最佳性能并提高使用寿命,必须在合适的温度下运行,需要对PEMFC进行冷却。描述了在阶跃负载下水蒸气的压力、流量、膜内水传输速度、质量和相对湿度的动态响应,分析了响应产生的影响因素和响应变化趋势的原因。由于水传输模块的引入,本模型相对于只考虑反应气体传质、传热的非稳态模型来说,该模型进一步提高了仿真的细致性和精确度,为PEMFC系统的实时控制和优化设计提供了一个有力的工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 重要符号说明
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池特点与分类
• 1.2.1 燃料电池的特点
• 1.2.2 燃料电池的分类
• 1.3 本课题的意义与本文所做的工作
• 1.3.1 本课题的研究意义
• 1.3.2 本文所做的工作
• 2 PEMFC工作原理及组成
• 2.1 PEMFC工作原理
• 2.2 PEMFC的基本组成结构与氢源
• 2.2.1 质子交换膜
• 2.2.2 电极
• 2.2.3 三合一膜电极组（MEA）
• 2.2.4 电催化剂
• 2.2.5 双极板与流场
• 2.2.6 PEMFC的氢源
• 2.3 本章小结
• 3 PEMFC数学模型综述
• 3.1 PEMFC机理模型简述
• 3.1.1 电极模型简述
• 3.1.2 质子交换膜模型简述
• 3.1.3 流场模型简述
• 3.1.4 单电池模型
• 3.2 PEMFC经验模型简述
• 3.3 PEMFC动态模型
• 3.3.1 单电池动态模型
• 3.3.2 系统动态模型
• 3.4 本章小结
• 4 PEMFC稳态模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 模型的基本假设
• 4.3 模型的建立
• 4.3.1 燃料电池的能斯特电压
• 4.3.2 活化过电压
• 4.3.3 欧姆过电压
• 4.3.4 浓差过电压
• 4.3.5 输出电压
• 4.4 PEMFC仿真模型的建立
• 4.5 仿真运行与结果分析
• 4.5.1 输入输出设计
• 4.5.2 仿真结果与分析
• 4.6 本章小结
• 5 考虑水传输的PEMFC动态模型的建立
• 5.1 引言
• 5.2 电化学动态模型
• 5.3 考虑水传输的PEMFC动态模型模型的建立
• 5.3.1 质子交换膜水传输模型
• 5.3.2 阳极控制体模型
• 5.3.3 阴极控制体模型
• 5.3.4 电池堆控制体模型
• 5.4 考虑水传输的PEMFC动态模型模型的仿真运行与结果分析
• 5.4.1 模型的simulink仿真实现
• 5.4.2 模型仿真运行与结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表