质子交换膜燃料电池动态建模与性能仿真分析

摘要

车用质子交换膜燃料电池是氢燃料电池汽车中的关键部件，其成本和寿命是制约氢燃料电池汽车大规模商业化的主要因素，而启停和变载又是影响其寿命的两种重要工况，研究两种工况下电池的动态响应及性能对延长其寿命具有重要意义。本文通过建立质子交换膜燃料电池动态模型分析两种工况下电池的动态性能。　　首先以等效电路模型为基础模型，结合动态气体压力模型和动态热传输模型建立了集总参数模型，在SIMULINK环境下，利用建立的模型模拟了电池启动和停止过程。根据模拟结果发现了电压的下冲和过冲现象，且电压的响应时间与电池温度的响应时间基本一致，说明启停过程中电池温度对电池的动态性能影响很大；从温度角度对模型中决定电池输出电压大小的热力学电动势、活化过电势、欧姆过电势和浓差过电势的动态响应情况进行了分析，发现启动过程电压的下冲现象主要由电池活化过电势和欧姆过电势的过冲引起，停止过程活化过电势的下冲引起了电压的过冲现象；当以阶跃信号形式输入温度时，启停过程电池输出电压响应很快且未发生下冲和过冲现象，说明提高电池温度的响应速度能够改善电池的动态性能。　　其次建立了质子交换膜燃料电池的分布参数模型，以电池的基本方程、电化学反应方程和质子交换膜中水的传输模型等为基础，利用Fluent中的瞬态求解器，以改变电流密度的方式模拟了电池的变载过程，重点分析了电压的动态响应。不同于电池的启停过程，该模型假定电池在变载过程中温度保持恒定。主要研究了操作参数，如气体过量系数、气体压力和气体加湿度，和加载参数，如加载幅度、加载速度（通过UDF编程实现）和加载初始电流密度等对变载工况下质子交换膜燃料电池动态性能的影响。仿真结果表明：增大气体过量系数、气体压力和气体加湿度时，电压下冲量减小，电池动态性能提高，其中气体加湿度影响程度最大；阳极饱和加湿，阴极半饱和加湿时，减小加载幅度和降低加载速度对提高电池动态性能效果明显；加载幅度相同时，加载初始电流密度越大，电池动态性越好，基于此现象提出了一种变加载速度的加载方式，该加载方式下电池的动态性能优于恒定加载速度下电池的动态性能。　　本文利用集总参数和分布参数模型分别研究了启停和变载工况下电池的动态响应，所得结论对提高电池的动态性能有一定的指导作用。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 质子交换膜燃料电池性能研究现状

1.3 本文的主要内容

2 质子交换膜燃料电池及其性能介绍

2.1 质子交换膜燃料电池的发展及应用现状

2.2 质子交换膜燃料电池的结构组成

2.3 质子交换膜燃料电池的工作原理

2.4 质子交换膜燃料电池的性能介绍

2.5 本章小结

3 启停工况下PEMFC动态性能仿真分析

3.1 质子交换膜燃料电池的集总参数模型

3.2 仿真工具介绍

3.3 SIMULINK模型的搭建

3.4 结果与分析

3.5 本章小结

4 变载工况下PEMFC动态性能仿真分析

4.1 质子交换膜燃料电池的分布参数模型

4.2 模型描述

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果