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。氫離子在將兩個半反應(yīng)分開的電解質(zhì)(質(zhì)子交換膜)內(nèi)遷移，電子通過外電路定向流動、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)過程稱為陰極過程，對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)的電極稱為陽極，其反應(yīng)過程稱為陽極過程，對外電路定義為負極。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，簡稱PEMFC)排放物只有水、可在常溫下工作、啟動迅速，具有廣泛的適用范圍，被認為是最有發(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致的模型描述。部分文獻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)，建立可測量和電池內(nèi)部難以測量的傳質(zhì)現(xiàn)象之間的聯(lián)系。同時，為了滿足將該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于未來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的較大計算量。將電池按照功能層分解，分別用數(shù)學(xué)模塊進行描述，建立PEMFC系統(tǒng)級的數(shù)學(xué)模型是較好的解決方案。基于以上分析，本文將建立一個模塊化的PEMFC數(shù)學(xué)模型，該模型可以在較少的仿真計算量條件下提供與實驗相應(yīng)工作參數(shù)吻合的