質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)模型及特性研究

李峰勛+李振哲

摘 要： 質(zhì)子交換膜燃料電池廣泛應(yīng)用于混合動力汽車中，由其無污染特性收到研究者的關(guān)注。首先，基于質(zhì)子交換膜燃料電池特性，我們研究了質(zhì)子交換膜燃料電池方針數(shù)學(xué)模型。然后，對系統(tǒng)特性做了一些介紹。

關(guān)鍵詞： 渦輪發(fā)動機(jī)；熱障陶瓷系統(tǒng)；熱生長氧化層

本課題研究由國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：51401100）、浙江省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：LY16E050006）、溫州市科技計劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：G20150010）資助。

1. 引言

燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。由于化學(xué)反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%～70%，其實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2倍左右。能量轉(zhuǎn)換效率高是燃料電池的主要特點(diǎn)之一。而質(zhì)子交換膜燃料電池具有無污染、高效率、低噪聲、可快速補(bǔ)充能量、具有模塊化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，是燃料電池中替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的最理想的動力源，很適合作為車輛的動力源，順應(yīng)了新能源汽車的技術(shù)要求[1，2]。

雖然質(zhì)子交換膜燃料電池作為電動汽車的動力源具有很多優(yōu)點(diǎn)，但它在汽車上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的深入研究。質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)響應(yīng)具有一定的時滯，當(dāng)電動汽車所需功率波動時，質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出功率需經(jīng)過一段時間的調(diào)整才能適應(yīng)負(fù)載的變化；當(dāng)電動汽車中的驅(qū)動電機(jī)回饋制動時，必須吸收電機(jī)回饋的電能，以節(jié)約能量，增加汽車持續(xù)行駛時間，而質(zhì)子交換膜燃料電池不支持能量的雙向流動，不能吸收電機(jī)制動過程中產(chǎn)生的動能。所以動力系統(tǒng)中需要一個其它蓄電裝置與質(zhì)子交換膜燃料電池互補(bǔ)，共同為負(fù)載供電，在保證汽車運(yùn)行性能的前提下，提高能源利用率。顯然，解決這些問題的關(guān)鍵在于更精確地掌握質(zhì)子交換膜燃料電池機(jī)理以求優(yōu)化并控制其適應(yīng)啟動、加速、巡航行駛、減速制動等多個運(yùn)行狀態(tài)。

首先，基于燃料電池特性，我們研究了質(zhì)子交換膜燃料電池方針數(shù)學(xué)模型。然后，對系統(tǒng)特性做了一些介紹。

2. 燃料電池模型

基于系統(tǒng)特性， 我們開發(fā)了質(zhì)子交換膜燃料電池堆瞬態(tài)模型。質(zhì)子交換膜燃料電池堆瞬態(tài)模型包括6個部分：陰極質(zhì)量流模型、陽極質(zhì)量流模型、膜的水含模型、燃料電池堆電壓模型、陽極氣體擴(kuò)散層模型、陰極氣體擴(kuò)散層模型[3]。表1表示仿真中用到的重要參數(shù)。

3. 實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)特性

為了提高仿真精度，做了一些實(shí)驗(yàn)研究。本實(shí)驗(yàn)包括三個控制部分：第一為電化學(xué)反應(yīng)部分，包括氧氣量以及壓力等；第二為可變電容的控制，管理水的產(chǎn)量：第三為控制冷卻葉片，管理燃料電池系統(tǒng)溫度。一個燃料電池的功率為1.2KW， 工作電壓在22和50 V之間變化。初始的電壓來至蓄電池。試驗(yàn)中觀察的參數(shù)是燃料電池堆電流和電壓。

燃料電池堆電壓模型代表著燃料電池堆特性，因此被用于測量參數(shù)。如圖1和圖2所示，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型精度。

4. 結(jié)論

本文簡單介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，并對仿真模型做了詳細(xì)的介紹。基于仿真模型，本文對系統(tǒng)特性做了一些介紹。基于仿真模型可以進(jìn)一步了解質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳全世， 仇斌， 謝起成等， 燃料電池電動汽車[M]， 北京： 清華大學(xué)出版社， 2005.

[2] 葛善海， 農(nóng)寶廉， 徐洪峰， 質(zhì)子交換膜燃料電池水傳遞模型[J]， 化工學(xué)報， 1999， 50（1）： 39-48.

[3] Xuan D. J.， Li Z. Z.， Kim J. W.， Kim Y. B.， Optimal operating points of PEM fuel cell stack model with a RSM[J]， Journal of Mechanical Science and Technology， 2009， 23（3）： 717-728.endprint