質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)建模與性能仿真分析.pdf

1、車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池是氫燃料電池汽車(chē)中的關(guān)鍵部件，其成本和壽命是制約氫燃料電池汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化的主要因素，而啟停和變載又是影響其壽命的兩種重要工況，研究?jī)煞N工況下電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及性能對(duì)延長(zhǎng)其壽命具有重要意義。本文通過(guò)建立質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)模型分析兩種工況下電池的動(dòng)態(tài)性能。
　　首先以等效電路模型為基礎(chǔ)模型，結(jié)合動(dòng)態(tài)氣體壓力模型和動(dòng)態(tài)熱傳輸模型建立了集總參數(shù)模型，在SIMULINK環(huán)境下，利用建立的模型模擬了電池啟動(dòng)和停止過(guò)程

2、。根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)了電壓的下沖和過(guò)沖現(xiàn)象，且電壓的響應(yīng)時(shí)間與電池溫度的響應(yīng)時(shí)間基本一致，說(shuō)明啟停過(guò)程中電池溫度對(duì)電池的動(dòng)態(tài)性能影響很大；從溫度角度對(duì)模型中決定電池輸出電壓大小的熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì)、活化過(guò)電勢(shì)、歐姆過(guò)電勢(shì)和濃差過(guò)電勢(shì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程電壓的下沖現(xiàn)象主要由電池活化過(guò)電勢(shì)和歐姆過(guò)電勢(shì)的過(guò)沖引起，停止過(guò)程活化過(guò)電勢(shì)的下沖引起了電壓的過(guò)沖現(xiàn)象；當(dāng)以階躍信號(hào)形式輸入溫度時(shí)，啟停過(guò)程電池輸出電壓響應(yīng)很快且未發(fā)生下沖和過(guò)沖

3、現(xiàn)象，說(shuō)明提高電池溫度的響應(yīng)速度能夠改善電池的動(dòng)態(tài)性能。
　　其次建立了質(zhì)子交換膜燃料電池的分布參數(shù)模型，以電池的基本方程、電化學(xué)反應(yīng)方程和質(zhì)子交換膜中水的傳輸模型等為基礎(chǔ)，利用Fluent中的瞬態(tài)求解器，以改變電流密度的方式模擬了電池的變載過(guò)程，重點(diǎn)分析了電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。不同于電池的啟停過(guò)程，該模型假定電池在變載過(guò)程中溫度保持恒定。主要研究了操作參數(shù)，如氣體過(guò)量系數(shù)、氣體壓力和氣體加濕度，和加載參數(shù)，如加載幅度、加載速度（通過(guò)U

4、DF編程實(shí)現(xiàn)）和加載初始電流密度等對(duì)變載工況下質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)性能的影響。仿真結(jié)果表明：增大氣體過(guò)量系數(shù)、氣體壓力和氣體加濕度時(shí)，電壓下沖量減小，電池動(dòng)態(tài)性能提高，其中氣體加濕度影響程度最大；陽(yáng)極飽和加濕，陰極半飽和加濕時(shí)，減小加載幅度和降低加載速度對(duì)提高電池動(dòng)態(tài)性能效果明顯；加載幅度相同時(shí)，加載初始電流密度越大，電池動(dòng)態(tài)性越好，基于此現(xiàn)象提出了一種變加載速度的加載方式，該加載方式下電池的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于恒定加載速度下電池的動(dòng)態(tài)性能。