質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)特性仿真研究.pdf

1、隨著日益嚴(yán)重的全球范圍內(nèi)的能源緊張和環(huán)境污染的加劇，發(fā)展高效和低污染的能源利用新技術(shù)已成為世界各國(guó)面臨的一個(gè)重大課題。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)由于具有高效率、無(wú)污染、裝置輕便、噪音低、室溫快速啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔能源利用技術(shù)之一，受到了世界各國(guó)的高度重視和普遍關(guān)注。為了對(duì)PEMFC的可靠設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)，需要

2、對(duì)其進(jìn)行全面的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真。有關(guān)這方面的研究已經(jīng)成為PEMFC研究領(lǐng)域的前沿研究課題之一，具有非常重要的學(xué)術(shù)研究意義和十分廣闊的應(yīng)用前景。 本文首先概述了燃料電池的特點(diǎn)和分類(lèi)，以及各種燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀。簡(jiǎn)述了PEMFC的工作原理和各重要組成部件的功能和特性。在此基礎(chǔ)上對(duì)PEMFC數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和分析。 本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，以PEMFC整體為研究對(duì)象，利用描述PEMFC的經(jīng)驗(yàn)方程建立了PEMFC的穩(wěn)態(tài)

3、集總參數(shù)模型，進(jìn)一步分析了電池工作溫度、陰陽(yáng)極反應(yīng)氣分壓力等對(duì)PEMFC性能的影響。在集總穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)包括電池傳熱傳質(zhì)過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)PEMFC模型。在反應(yīng)氣體壓力和工作溫度恒定的情況下對(duì)PEMFC非穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)外部負(fù)載的階躍變化考察了電池的電流、電壓、功率以及效率的響應(yīng)特性。在此基礎(chǔ)上，考慮了電池的溫度、反應(yīng)氣壓力和流量以及雙電層電容效應(yīng)對(duì)電池響應(yīng)特性的影響，通過(guò)負(fù)載電阻的變化考察了PEMFC電壓、溫度

4、、反應(yīng)氣流量以及壓力等參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 利用MATLAB中的SIMULLINK組件分別對(duì)所建的PEMFC穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，所建模型的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，能夠反映質(zhì)子交換膜燃料電池的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，可以用于燃料電池系統(tǒng)的特性仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制研究。 最后，利用可視化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言VISUAL BASIC編寫(xiě)了前臺(tái)用戶程序，通過(guò)調(diào)用MATLAB/SIMUL