质子交换膜燃料电池的建模与仿真研究

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)高效、清洁、环境友好,成为内燃机最有力的竞争者,被认为是最有潜力的动力装置之一。影响质子交换膜燃料电池性能的因素很多,如工作压力、工作温度、相对湿度等。本文采用数学建模方法对质子交换膜燃料电池单电池进行仿真分析,研究这些因素对PEMFC性能的影响。 首先,基于Matlab/Simulink软件平台,结合电池工作中的传质、电化学等特点建立了PEM燃料电池单电池稳态模型,通过实验获得相关的模型参数,并比较了模型计算结果与试验结果。运用模型探讨了工作压力、工作温度、相对湿度、扩散层厚度等参数对电池稳态性能的影响,工作电流密度、工作压力、工作温度对电池效率的影响。仿真分析表明:(1)提高阴极和阳极工作压力有利于电池整体性能的改善。电池在高电流密度下工作,阴极工作压力对提高电池效率作用明显;(2)工作温度升高使得氢气分压和氧气分压下降,但对氢气分压影响更加显著,工作温度范围内,电池温度升高,热动力电势、欧姆极化电势和活化极化电势均下降;(3)加湿相对湿度影响反应气体的有效分压力,相对湿度增大,反应气体有效分压力降低;(4)氢氧分压力沿着扩散方向呈现近线性递减趋势,在高工作电流密度下,氧气有效分压力下降更加明显。 其次,以建立的稳态模型为基础,考虑电池热传输、水相变等过程建立了相应的动态模型;在对单电池仿真模型实验验证的基础上,研究了电池的散热分布,电池的温度和输出电压随时间的变化;通过建立水在膜中传输的仿真模型,研究了反应气体加湿以及工作电流密度等对膜中水含量的影响。研究结果表明:(1)相比阳极,通过阴极散失的热量更多;(2)电池的动态热传输特性受电池结构的影响,其响应时间不同,电池负载电流阶跃变化时,电池温度和电压逐渐变化,达到新的稳定值;(3)高电流密度和高阴极湿度的情况下,阴极侧膜水含量易达到饱和状态。