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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

    • 相关论文文献

    本文来源: https://www.lw50.cn/article/278b1567885953e179268db4.html