質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)是燃料電池汽車的能量源,其性能與壽命是影響燃料電池汽車發(fā)展的重要因素。對PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真是對其進(jìn)行研究的重要手段,科學(xué)有效的控制是提高其壽命和性能的重要方法。本文主要對PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與控制。首先對陰極供氣系統(tǒng)、陽極供氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、燃料電池電堆進(jìn)行分析與建模;然后對所建立模型進(jìn)行相應(yīng)工作特性仿真,最后根據(jù)仿真結(jié)果確定供氣系統(tǒng)與熱管理系統(tǒng)控制方法并驗證其科學(xué)性與有效性。主要研究工作如下:（1）分析并建立PEMFC陰極供氣系統(tǒng)、陽極供氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)模型。根據(jù)理論公式建立PEMFC電壓模型,對溫度和壓力對于其輸出電壓、活化電壓損失、歐姆電壓損失、濃度電壓損失的影響進(jìn)行仿真。建立電堆陰極流道和陽極流道模型、質(zhì)子交換膜濕度模型、電堆溫度變化模型,為仿真打下基礎(chǔ)。（2）對陰極供氣系統(tǒng)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速對于陰極進(jìn)氣流量、進(jìn)氣壓力的影響,中冷器冷卻液流量對于空氣冷卻效果的影響進(jìn)行仿真;對陽極供氣系統(tǒng)減壓閥定壓控制,減壓閥開度對于氫氣流量的影響,電流變化下陽極進(jìn)出氣流量、氫氣消耗流量的變化進(jìn)行仿真;對電堆在定電流與變電流條件下陰極進(jìn)氣壓力對于輸出電壓,輸出... 

【文章來源】：山東理工大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

PEMFC 系統(tǒng)組成

山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章質(zhì)子交換膜燃料電池電堆分析與建模17第三章質(zhì)子交換膜燃料電池電堆分析與建模3.1PEMFC電堆結(jié)構(gòu)與工作原理概述3.1.1PEMFC電堆結(jié)構(gòu)PEMFC電堆由多個燃料電池單體組成，每個燃料電池單體由雙極板（BP）、氣體擴(kuò)散層（GDL）、催化層（CL）和質(zhì)子交換膜（PEM）等部分組成[55]。PEMFC單體結(jié)構(gòu)與工作原理如圖3.1所示。圖3.1PEMFC結(jié)構(gòu)與工作原理圖Fig.3.1PEMFCstructureandworkingprincipledrawing質(zhì)子交換膜須具有相對較高的質(zhì)子導(dǎo)電性，對氧化劑與還原劑的分隔提供足夠的屏障，且保證在電堆運行環(huán)境中化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定，是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心。催化劑層可部分位于氣體擴(kuò)散層，部分位于質(zhì)子交換膜，也可全部位于質(zhì)子交換膜，這取決于制造工藝。氣體擴(kuò)散層位于催化層與雙極板之間，為反應(yīng)氣體從流場通道到催化劑層提供路徑，同時也將催化劑層與雙極板電氣連接，使形成完整電路。雙極板將PEMFC單體串聯(lián)連接，且具有熱量傳導(dǎo)散熱作用，并為氣體傳輸提供流場通道。氫氣存儲在氫氣瓶中，經(jīng)過減壓閥減壓后通過管道進(jìn)入陽極流道；空氣被空壓機(jī)從環(huán)境吸入經(jīng)過濾器、中冷器、加濕器等部件后進(jìn)入陰極流道。3.1.2PEMFC工作原理在氫氣到達(dá)陽極流道氧氣到達(dá)陰極流道后，氫氣與氧氣通過氣體擴(kuò)散層到達(dá)催

山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章質(zhì)子交換膜燃料電池電堆分析與建模19圖3.2是通過建模仿真得到的PEMFC輸出電壓隨電流密度變化曲線，即PEMFC典型極化曲線。圖中縱坐標(biāo)為PEMFC輸出電壓vfc，單位為伏特(V)；橫坐標(biāo)為電流密度i，單位為安培每平方厘米(A·cm-2)。由仿真結(jié)果可知，隨著電流密度增大，輸出電壓逐漸減小，這是因為質(zhì)子交換膜燃料電池存在活化電壓損失，歐姆電壓損失和濃度電壓損失[57]。圖3.2PEMFC典型極化曲線Fig.3.2TypicalPEMFCpolarizationcurve3.2.2活化電壓損失模型由于活化電壓損失主要由陰極側(cè)氧氣的還原反應(yīng)決定，由巴特勒-沃爾默方程的第二項成為主導(dǎo)可得陰極側(cè)還原反應(yīng)對應(yīng)的活化電壓損失公式：)(ln0iiFαRTvaact(3-9)式中，αa為電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，i0為交換電流密度，在這里均為常數(shù)，可通過經(jīng)驗公式計算。所以上式可采用一種表征活化電壓損失的簡化方法進(jìn)行表示，即塔菲爾方程：ibav)log(act(3-10)塔菲爾方程是純粹的經(jīng)驗方程，式中：)(log3.2-0iαFRTa(3-11)αFRTb3.2(3-12)在任意給定溫度下，塔菲爾斜率僅取決于轉(zhuǎn)移系數(shù)α。但塔菲爾方程只對0ii才適用，i0為交換電流密度，典型值為0.1mA·cm-2。所以采取一個對于電流密度均適用的類似函數(shù)公式對活化電壓損失進(jìn)行表示：)1(10icaactevvv(3-13)式中，v0為在電流密度為0時的電壓降，c1為常數(shù)。v0，va的值是氧氣分壓和溫度的函數(shù)，如下所示：

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3383310