質子交換膜燃料電池系統(tǒng)特性仿真研究.pdf

1、隨著日益嚴重的全球范圍內(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已成為世界各國面臨的一個重大課題。質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)由于具有高效率、無污染、裝置輕便、噪音低、室溫快速啟動等優(yōu)點，已成為21世紀最有發(fā)展前景的高效清潔能源利用技術之一，受到了世界各國的高度重視和普遍關注。為了對PEMFC的可靠設計、優(yōu)化和控制提供基礎數(shù)據(jù)和設計依據(jù)，需要

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

3、集總參數(shù)模型，進一步分析了電池工作溫度、陰陽極反應氣分壓力等對PEMFC性能的影響。在集總穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型的基礎上，建立了一個包括電池傳熱傳質過程的非穩(wěn)態(tài)PEMFC模型。在反應氣體壓力和工作溫度恒定的情況下對PEMFC非穩(wěn)態(tài)模型進行了仿真研究，通過外部負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特性。在此基礎上，考慮了電池的溫度、反應氣壓力和流量以及雙電層電容效應對電池響應特性的影響，通過負載電阻的變化考察了PEMFC電壓、溫度

4、、反應氣流量以及壓力等參數(shù)的動態(tài)響應。 利用MATLAB中的SIMULLINK組件分別對所建的PEMFC穩(wěn)態(tài)和動態(tài)數(shù)學模型進行了仿真研究。仿真結果表明，所建模型的仿真結果與文獻報道的實驗數(shù)據(jù)吻合較好，能夠反映質子交換膜燃料電池的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，可以用于燃料電池系統(tǒng)的特性仿真分析、優(yōu)化設計以及電池系統(tǒng)的實時控制研究。 最后，利用可視化的程序設計語言VISUAL BASIC編寫了前臺用戶程序，通過調用MATLAB/SIMUL