质子交换膜燃料电池系统模型及特性研究

李峰勋+李振哲

摘 要： 质子交换膜燃料电池广泛应用于混合动力汽车中，由其无污染特性收到研究者的关注。首先，基于质子交换膜燃料电池特性，我们研究了质子交换膜燃料电池方针数学模型。然后，对系统特性做了一些介绍。

关键词： 涡轮发动机；热障陶瓷系统；热生长氧化层

本课题研究由国家自然科学基金（项目编号：51401100）、浙江省自然科学基金（项目编号：LY16E050006）、温州市科技计划项目（项目编号：G20150010）资助。

1. 引言

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由于化学反应过程中的能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率可达60%～70%，其实际使用效率则是普通内燃机的2倍左右。能量转换效率高是燃料电池的主要特点之一。而质子交换膜燃料电池具有无污染、高效率、低噪声、可快速补充能量、具有模块化结构等特点，是燃料电池中替代传统内燃机的最理想的动力源，很适合作为车辆的动力源，顺应了新能源汽车的技术要求[1，2]。

虽然质子交换膜燃料电池作为电动汽车的动力源具有很多优点，但它在汽车上的应用还有待进一步的深入研究。质子交换膜燃料电池动态响应具有一定的时滞，当电动汽车所需功率波动时，质子交换膜燃料电池的输出功率需经过一段时间的调整才能适应负载的变化；当电动汽车中的驱动电机回馈制动时，必须吸收电机回馈的电能，以节约能量，增加汽车持续行驶时间，而质子交换膜燃料电池不支持能量的双向流动，不能吸收电机制动过程中产生的动能。所以动力系统中需要一个其它蓄电装置与质子交换膜燃料电池互补，共同为负载供电，在保证汽车运行性能的前提下，提高能源利用率。显然，解决这些问题的关键在于更精确地掌握质子交换膜燃料电池机理以求优化并控制其适应启动、加速、巡航行驶、减速制动等多个运行状态。

首先，基于燃料电池特性，我们研究了质子交换膜燃料电池方针数学模型。然后，对系统特性做了一些介绍。

2. 燃料电池模型

基于系统特性， 我们开发了质子交换膜燃料电池堆瞬态模型。质子交换膜燃料电池堆瞬态模型包括6个部分：阴极质量流模型、阳极质量流模型、膜的水含模型、燃料电池堆电压模型、阳极气体扩散层模型、阴极气体扩散层模型[3]。表1表示仿真中用到的重要參数。

3. 实验研究及系统特性

为了提高仿真精度，做了一些实验研究。本实验包括三个控制部分：第一为电化学反应部分，包括氧气量以及压力等；第二为可变电容的控制，管理水的产量：第三为控制冷却叶片，管理燃料电池系统温度。一个燃料电池的功率为1.2KW， 工作电压在22和50 V之间变化。初始的电压来至蓄电池。试验中观察的参数是燃料电池堆电流和电压。

燃料电池堆电压模型代表着燃料电池堆特性，因此被用于测量参数。如图1和图2所示，基于实验数据验证了模型精度。

4. 结论

本文简单介绍了质子交换膜燃料电池系统，并对仿真模型做了详细的介绍。基于仿真模型，本文对系统特性做了一些介绍。基于仿真模型可以进一步了解质子交换膜燃料电池系统特性。

参考文献

[1] 陈全世， 仇斌， 谢起成等， 燃料电池电动汽车[M]， 北京： 清华大学出版社， 2005.

[2] 葛善海， 农宝廉， 徐洪峰， 质子交换膜燃料电池水传递模型[J]， 化工学报， 1999， 50（1）： 39-48.

[3] Xuan D. J.， Li Z. Z.， Kim J. W.， Kim Y. B.， Optimal operating points of PEM fuel cell stack model with a RSM[J]， Journal of Mechanical Science and Technology， 2009， 23（3）： 717-728.endprint