質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)建模與性能仿真分析.pdf

1、車用質(zhì)子交換膜燃料電池是氫燃料電池汽車中的關鍵部件，其成本和壽命是制約氫燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化的主要因素，而啟停和變載又是影響其壽命的兩種重要工況，研究兩種工況下電池的動態(tài)響應及性能對延長其壽命具有重要意義。本文通過建立質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)模型分析兩種工況下電池的動態(tài)性能。
　　首先以等效電路模型為基礎模型，結合動態(tài)氣體壓力模型和動態(tài)熱傳輸模型建立了集總參數(shù)模型，在SIMULINK環(huán)境下，利用建立的模型模擬了電池啟動和停止過程

2、。根據(jù)模擬結果發(fā)現(xiàn)了電壓的下沖和過沖現(xiàn)象，且電壓的響應時間與電池溫度的響應時間基本一致，說明啟停過程中電池溫度對電池的動態(tài)性能影響很大；從溫度角度對模型中決定電池輸出電壓大小的熱力學電動勢、活化過電勢、歐姆過電勢和濃差過電勢的動態(tài)響應情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)啟動過程電壓的下沖現(xiàn)象主要由電池活化過電勢和歐姆過電勢的過沖引起，停止過程活化過電勢的下沖引起了電壓的過沖現(xiàn)象；當以階躍信號形式輸入溫度時，啟停過程電池輸出電壓響應很快且未發(fā)生下沖和過沖

3、現(xiàn)象，說明提高電池溫度的響應速度能夠改善電池的動態(tài)性能。
　　其次建立了質(zhì)子交換膜燃料電池的分布參數(shù)模型，以電池的基本方程、電化學反應方程和質(zhì)子交換膜中水的傳輸模型等為基礎，利用Fluent中的瞬態(tài)求解器，以改變電流密度的方式模擬了電池的變載過程，重點分析了電壓的動態(tài)響應。不同于電池的啟停過程，該模型假定電池在變載過程中溫度保持恒定。主要研究了操作參數(shù)，如氣體過量系數(shù)、氣體壓力和氣體加濕度，和加載參數(shù)，如加載幅度、加載速度（通過U

4、DF編程實現(xiàn)）和加載初始電流密度等對變載工況下質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)性能的影響。仿真結果表明：增大氣體過量系數(shù)、氣體壓力和氣體加濕度時，電壓下沖量減小，電池動態(tài)性能提高，其中氣體加濕度影響程度最大；陽極飽和加濕，陰極半飽和加濕時，減小加載幅度和降低加載速度對提高電池動態(tài)性能效果明顯；加載幅度相同時，加載初始電流密度越大，電池動態(tài)性越好，基于此現(xiàn)象提出了一種變加載速度的加載方式，該加載方式下電池的動態(tài)性能優(yōu)于恒定加載速度下電池的動態(tài)性能。