车用PEM燃料电池建模仿真与特性研究

摘要

近年来，由于世界总人口数增加、环境污染和过度开采等原因，传统能源消耗殆尽。同时，由于对传统能源的大量使用，大自然的自我调节能力已超出负荷，导致了一系列的环境污染问题。所以，对新能源和可再生能源进行开发和利用势在必行。氢能储量丰富，且作为清洁能源不会造成环境污染，在新能源和可再生能源中占据着举足轻重的地位。而在使用氢能方面，燃料电池表现较为卓越。 本文主要研究质子交换膜燃料电池的稳态、动态和阴阳极建模，在此基础上，探讨温度、气体分压、电流密度、电极加湿等对质子交换膜燃料电池输出性能的影响。本文主要的研究工作和成果如下： （1）系统介绍质子交换膜燃料电池的工作原理以及其基本结构和系统组成；介绍质子交换膜燃料电池的仿真模拟研究进展，进而提出本论文的研究重点。 （2）基于Matlab/Simulink平台搭建质子交换膜燃料电池的稳态仿真模型，从电池温度和阴阳极气体分压两个方面分析燃料电池输出性能的变化情况。同时，对电池温度影响下得到的仿真数据拐点或者峰值进行线性回归处理，研究相应的变化趋势，为电池性能的进一步研究提供理论支撑。 （3）对燃料电池在高电流密度下的耐久性进行深入分析，并与相应的实验数据进行对比。 （4）基于Matlab的开发环境GUIDE设计GUI界面，为燃料电池性能仿真研究提供通用性的界面模型，达到仿真分析人机交互。 （5）建立质子交换膜燃料电池的电压动态模型，研究其动态响应。电池输出性能具有良好的动态响应，为进一步实验研究提供理论基础。 （6）建立燃料电池的阴极流量模型和阳极流量模型，得到电池阴阳极两侧氢、氧的有效分压，研究不同加湿程度和不同阴阳极总压条件下质子交换膜燃料电池的动态输出性能。 本文的建模仿真研究为质子交换膜燃料电池实验和仿真的进一步研究提供理论依据。设计的GUI界面为电池其它性能的研究提供通用性的界面模型，为类似研究提供便捷的工具。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 质子交换膜燃料电池国内外研究现状

1.3 研究内容与研究方法

第2章 质子交换膜燃料电池的基本工作原理及结构

2.1 质子交换膜燃料电池的基本工作原理

2.2 质子交换膜燃料电池的基本结构

2.3 质子交换膜燃料电池电堆

2.4 质子交换膜燃料电池系统

2.5 本章小结

第3章 质子交换膜燃料电池稳态建模与耐久性研究

3.1 数学建模

3.2 电池参数和模型参数

3.3 Matlab/Simulink仿真软件

3.4 基于Simulink平台仿真模型建立

3.5 质子交换膜燃料电池稳态模型的仿真结果与分析

3.6 耐久性分析

3.7 GUI界面设计

3.8 本章小结

第4章 质子交换膜燃料电池电压动态建模与仿真

4.1 电压动态数学模型

4.2 基于Simulink平台质子交换膜燃料电池电压动态的仿真模型建立

4.3 质子交换膜燃料电池电压动态仿真结果与分析

4.4 本章小结

第5章 质子交换膜燃料电池的运行参数影响研究

5.1 阴极流量模型

5.2 阳极流量模型

5.3 水在质子交换膜中的传递模型

5.4 仿真结果与分析

5.5 本章小结

第6章 结论

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果