PEMFC性能仿真及PDE模型降階方法研究.pdf

1、燃料電池已經(jīng)被公認(rèn)為21世紀(jì)新型潔凈發(fā)電方式之一。伴隨著能源需求與環(huán)保要求的雙重壓力下，燃料電池的研究與應(yīng)用迎來了良好的發(fā)展機遇。燃料電池作為一種將化學(xué)能高效地、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式相比，具有效率高、噪音低、污染小、進(jìn)料廣、用途多等突出的優(yōu)點。質(zhì)子交換膜燃料電池作為第五代發(fā)展起來的燃料電池，相對于其它電池來說，具有工作溫度最低、比能最高、啟動最快、壽命最長、應(yīng)用最廣等特點，受到越來越多的關(guān)注。通過實驗或者

2、模擬仿真手段研究影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能的各種因素， 而其中模擬仿真方式是一種方便、簡潔、有效的手段。
　　 本文基于模塊化建模思想，通過建模仿真來研究質(zhì)子交換膜燃料電池的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。
　　 本文主要分為四部分:
　　 首先建立H2/空氣型和H2/O2型質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)態(tài)模型考慮了氧化劑分別以空氣或者純氧氣對燃料電池性能的影響，考慮了質(zhì)子交換膜燃料電池增濕時，相對濕度對燃料電池性能

3、的影響。建立了H2/空氣型燃料電池的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，在內(nèi)增濕情況下，考慮了陰極側(cè)生成物水蒸氣對燃料電池動態(tài)性能影響，并且包括水蒸氣在陰極通道發(fā)生相變產(chǎn)生的潛熱。
　　 其次，根據(jù)所建立的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用Matlab/Simulink建立了H2/空氣型和H2/O2型質(zhì)子交換膜燃料電池的仿真模型。通過仿真，分析了溫度、壓強、相對濕度對燃料電池性能的影響，并對比了兩種類型電池的性能。仿真結(jié)果表明：提高燃料電池工作的溫度和壓強都可以改善

4、電池輸出性能，相對濕度對電池有重要影響，H2/O2型電池輸出電壓、功率以及效率均高于同條件下H2/空氣型燃料電池。
　　 第三，根據(jù)所建立的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用Matlab/Simulink建立了H2/空氣型質(zhì)子交換膜燃料電池的動態(tài)仿真模型。研究了質(zhì)子交換膜燃料電池在電流密度發(fā)生階躍動態(tài)變化時，燃料電池堆本體溫度、陽極通道溫度、陰極通道溫度、兩極通道壓強、電壓、功率、效率以及兩通道入口、出口以及內(nèi)部氫氣、氧氣、氮氣、水的質(zhì)量動態(tài)變

5、化規(guī)律。仿真結(jié)果表明了，各量的響應(yīng)過渡時間以及變化規(guī)律。并且為了控制燃料電池堆本體的溫度，研究了冷卻水流量階躍動態(tài)變化過程中，對電池堆輸出電壓、功率、效率以及三部分溫度、兩極通道壓強的影響及動態(tài)變化。
　　 最后，為了更詳細(xì)的分析質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，經(jīng)常采用偏微分方程來建立質(zhì)子交換膜燃料電池的分布參數(shù)模型，用于仿真模擬及最優(yōu)控制，由此導(dǎo)致計算速度降低。因此，針對帶有約束條件的偏微分方程(PDE)模型的計算和最優(yōu)控制的實時性