質(zhì)子交換膜燃料電池仿真研究.pdf

1、燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它依照原電池(如日常所用的鋅錳干電池)工作原理，等溫地將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。氫離子在將兩個(gè)半反應(yīng)分開(kāi)的電解質(zhì)(質(zhì)子交換膜)內(nèi)遷移，電子通過(guò)外電路定向流動(dòng)、作功、并構(gòu)成電流的回路。氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為陰極，其反應(yīng)過(guò)程稱為陰極過(guò)程，對(duì)外電路按原電池定義為正極。還原劑或燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為陽(yáng)極，其反應(yīng)過(guò)程稱為陽(yáng)極過(guò)程，對(duì)外電路定義為負(fù)極。燃料電池常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣

2、體(如重整氣)和某些液體(如甲醇水溶液)。常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體(如過(guò)氧化氫和硝酸的水溶液等)。燃料電池按照使用的電解質(zhì)不同，可以分為堿性燃料電池(AFC),磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池((SOFC)以及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。 質(zhì)子交換膜燃料電池((proton exchange membrane fuel cell or polymer ele

3、ctrolytemembrane fuel cell，簡(jiǎn)稱PEMFC)排放物只有水、可在常溫下工作、啟動(dòng)迅速，具有廣泛的適用范圍，被認(rèn)為是最有發(fā)展應(yīng)用前景的燃料電池形式。在目前的研究中PEMFC的傳質(zhì)現(xiàn)象模型得到了一定程度的發(fā)展，但缺乏全電池比較細(xì)致的模型描述。部分文獻(xiàn)提供的模型從電池整體考慮，忽略了內(nèi)部傳質(zhì)現(xiàn)象。電池在動(dòng)態(tài)工作條件下，內(nèi)部傳質(zhì)情況處在不斷變化之中，有必要發(fā)展一種能夠較詳細(xì)描述電池內(nèi)傳質(zhì)現(xiàn)象變化的數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)該以電

4、池外在測(cè)量參數(shù)，如電壓、電流、氣體流量、溫度和壓力等為基礎(chǔ)參數(shù)，建立可測(cè)量和電池內(nèi)部難以測(cè)量的傳質(zhì)現(xiàn)象之間的聯(lián)系。同時(shí)，為了滿足將該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于未來(lái)的電堆工作控制模塊中，需要避免利用CFD等技術(shù)建立的三維模型帶來(lái)的較大計(jì)算量。將電池按照功能層分解，分別用數(shù)學(xué)模塊進(jìn)行描述，建立PEMFC系統(tǒng)級(jí)的數(shù)學(xué)模型是較好的解決方案。基于以上分析，本文將建立一個(gè)模塊化的PEMFC數(shù)學(xué)模型，該模型可以在較少的仿真計(jì)算量條件下提供與實(shí)驗(yàn)相應(yīng)工作參數(shù)吻合的