论文总字数：31998字

摘 要

质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的新能源利用技术，能够将H₂化学能直接转化为电能，具有发电效率高、无噪声、无污染等优点。本文运用matlab的Simulink仿真工具对燃料电池的结构及运行过程进行模型的建立，基于温度、压力、H₂浓度等因素，在稳态条件下对燃料电池各组成部分（催化剂层、双极板、气体扩散层等）进行分析，以图表的形式将燃料电池内部特性进行展现。在此基础上分模块进行动态仿真，从电路模型、气体模型、压力模型三个方向对燃料电池进行建模。在合理的范围内，对各个自变量变化时燃料电池的电压、温度等各个因素的变化进行监测，建立动态模型，确定这些要素对燃料电池运行的影响。通过对燃料电池动态特性的认识，对燃料电池运行过程中的电压变化进行理论分析，并与仿真情况相比对，以验证仿真系统的正确性。

关键词：质子交换膜燃料电池，控制，仿真，数学模型

Abstract

Proton exchange membrane fuel cell is a clean and efficient new energy utilization technology. It can convert H2 chemical energy directly into electrical energy, and has the advantages of high power generation efficiency, no noise, no pollution and so on. This paper uses Matlab's Simulink simulation tool to establish the model of the fuel cell structure and operation process, based on factors such as temperature, pressure, H2 concentration and other factors, under the steady state conditions of the fuel cell components (catalyst layer, bipolar plate, gas Diffusion layers, etc.) are analyzed to show the internal characteristics of the fuel cell in the form of a graph. On this basis, the module was dynamically simulated and the fuel cell was modeled in three directions: circuit model, gas model and pressure model. In a reasonable range, the changes in the voltage, temperature, and other factors of the fuel cell during the change of each independent variable are monitored, and a dynamic model is established to determine the influence of these factors on the operation of the fuel cell. Through the understanding of the dynamic characteristics of the fuel cell, the theoretical analysis of the voltage change during the operation of the fuel cell is performed and compared with the simulation situation to verify the correctness of the simulation system.

KEY WORDS:PEMFC , control , simulation , mathematic model

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 6

1.1 选题背景及意义 6

1.2 研究现状 6

1.3 主要研究内容 7

1.3.1 PEMFC稳态建模 7

1.3.2 PEMFC动态建模 7

1.4 结构安排 7

第二章 燃料电池的稳态建模 8

2.1 基本组成及工作原理 8

2.2 质子交换膜 8

2.2.1 质子交换膜基本介绍 8

2.2.2 质量守恒方程 8

2.2.3 动量方程 10

2.2.4 能量守恒方程 10

2.2.5 离子传输方程 11

2.2.6 界面的水活性方程 11

2.2.7 膜内的水活性方程 11

2.2.8 建模结果 11

2.3 气体扩散层 11

2.3.1 气体扩散层基本介绍 11

2.3.2 自由分子流动方程 11

2.3.3 粘性流动方程 12

2.3.4 连续扩散方程 13

2.3.5 二元混合物的联合传输 14

2.3.6 导电性方程 15

2.3.7 蒸发和冷凝 15

2.3.8 液态水处理 15

2.3.9 两相流动模型 15

2.3.10 建模结果 16

2.4 催化剂层 19

2.4.1 催化剂层基本介绍 19

2.4.2 催化剂层性质方程 19

2.4.3 界面模型 20

2.4.4 建模方程及结果 22

2.5 双极板（流场板） 26

2.5.1 双极板（流场板）基本介绍 26

2.5.2 流场板基础设计 26

2.5.3 流场板压降方程 27

2.5.4 板流道和气体间的热传递 30

2.5.5 建模结果 31

2.6 小结 32

第三章 燃料电池的动态建模 32

3.1 质子交换膜燃料电池的动态模型 32

3.1.1 等效电路模型 32

3.1.2 气体压力模型 34

3.1.3 热量传输模型 35

3.2 仿真工具简介 35

3.3 Simulink模型搭建 36

3.4 结果与分析 39

3.4.1 启动过程中的仿真结果和分析 39

3.4.2 停机过程中的仿真结果 43

第四章 结语 47

致谢 48

绪论

选题背景及意义

质子交换膜燃料电池（Pronton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）能够将H₂的化学能直接转化为电能，是一种先进的清洁高效发电技术。PEMFC具有发电效率高、 无污染、无噪声、冷启动快以及比功率高等优点，理论热效率可以达到85%~90%^[1]。

PEMFC在固定式发电领域上，也一直是各个国家非常看好的应用领域。目前，PEMFC在家用热电联产、小型分布式供能系统以及备用电源等领域均有示范项目，且开展的范 围在不断扩展。质子交换膜燃料电池技术仍在发展过程中，性能不断提高，寿命能够保证 2000h-10000h，PEMFC 成本在不断的降低能够达到2万元/kW。从性能和寿命的角度上看，PEMFC 能够满足许多应用场合的要求，目前在燃料电池车、备用电源以及动电源都有成功的应用示范，成本是阻碍其商业化发展的关键，因此 PEMFC 目前还难以大范围推广，仅限于应用于特殊场合、特殊人群，例如军事应用、极限运动、应急电源等领域 ^[2]。

故现阶段推动 PEMFC 技术的发展和应用，要从节省成本的角度考虑。所以本次研究以“燃料电池发电系统动态特性及运行控制”为题，通过对燃料电池运行过程中的监控实现燃料电池的自动控制，以达到同样功率下运行成本的减少。

研究现状

整体发展

从1958年开始，我国开始进行对燃料电池的探索，在1995年左右，燃料电池迅速得到发展。近些年在“燃料电池汽车”这一话题的推动下，燃料电池的研究受到了极大的重视，全球环境基金（GEF）也在2016年召开“促进中国燃料电池汽车商业化发展”项目交流会，在北京市、上海市两地示范效果显著。

目前，欧美在燃料电池发电方面飞速发展，走在世界前列，燃料电池或将成为21世纪的又一新型发电方式。2017年7月，俄罗斯科学家研发出新的合金（铱和钴的固态溶体），此合金可代替燃料电池中贵重的铂作为新的催化剂，是燃料电池成本大大降低。在质子交换膜方面，全氟磺酸膜已经成为最成熟的种类，主要分为美国杜邦公司的Nafion膜、日本旭硝子的Flemion膜、加拿大Ballard公司的BAM型膜、美国陶氏化学公司的XUS-B204膜等^[3]。

质子交换膜燃料电池现主要应用于移动式电源和固定式发电。由于PEMFC启动速度快、比功率高，在航天航空、地面运输、深海作业等方面均有着应用。2002年西门子将PEMFC应用于潜艇中；2003年Aero Vironment公司将PEMFC应用于无人飞机之中。由于成本较高，至今仍主要应用于军事用途。^[4]

在固定式发电领域，由于所需氢气纯度高，氢气保存难度大等因素影响，使得氢气发电成本远高于化石燃料发电，但随着风能和太阳能等可再生能源的发展，电解制氢储能发电技术日渐成熟，既解决了氢气的来源问题，又解决了风能和太阳能的不稳定问题，近些年来，各个国家陆续使用光伏-PEMFC系统，解决了部分地区的电力供应问题。

阳极燃料对建模的影响^[5]

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）是固定式和便携式发电的先进发展阶段。参考文献给出了燃料电池技术及其与竞争技术相比的优缺点。用于燃料电池的最合适的燃料和能量载体是氢气。有不同的氢气生产过程。氢气可以在大型中心设施中生产，例如综合气化联合循环煤电厂或以大型市场中心附近的无分布方式生产。此外，它可以在车载改造系统中用富氢液体燃料生产。分配和输送氢气所需的成本和能量是一个主要的促成因素，使得板上氢气生产具有吸引力。原位氢气生产，特别是用于分散离网应用的微型热电联产系统（m-CHP），既费钱又实用又安全，避免了氢气的储存和运输。然而，需要对PEMFC进行进一步的改进和优化，以直接与燃料重整系统结合。如果不进行强化净化过程，重整气中会发现高水平的CO，导致PEMFC的性能和稳定性显着降低汽油。在PEMFC中的铂基催化剂，工作温度高达90℃，通常可以耐受高达10 ppm的进料气中的CO。重整气中二氧化碳的存在有助于氢的稀释，并导致通过反向生成CO水气转移反应（RWGS）。 Ptand Ru的组合可以增加催化剂对CO的耐受性，使得PFCFC能够在阳极燃料中使用更高水平的CO 。大量的参数研究是更好地理解和优化燃料电池性能的关键。然而，通过实验完成这项工作可能非常昂贵和耗时。因此，数值模拟可以为预测和优化燃料电池的性能以及更深入地了解所涉及的现象提供有用的选择。已经报道了关于该广告的一些研究模拟PEMFC 。已经提出了从简单的一维到更先进的复杂二维和三维PEM燃料电池模型的各种模型。这些模型考虑了影响PEM燃料电池性能的各种不同的相关表现。其中一些模型被开发用于考虑PEM燃料电池内的两相，非等温效应。从那时起，PEM燃料电池的运行条件和材料性能得到了极大的努力，以提高其性能。此外，借助先进的建模工具，在文献中探索了改善PEMFC性能的几种关键策略，例如，不同的流场结构，新型材料例如OPCF（开孔泡沫）作为机械加工石墨材料的替代物，PEMFC流道内的水流。燃料电池的性能取决于联合部件的特性和操作条件。最重要的是，反应速率主要取决于催化剂层的结构特征和形态。为了模拟催化剂层，可以考虑不同的方法，通常分为三组：薄膜模型，离散体积模型和聚集体模型。在薄膜模型中，催化剂层被认为是气体扩散层和膜之间的反应界面。在离散的体积模型中，催化剂层被认为是均匀的，其中传输系数被描述为以Pt催化剂，碳载体，渗透到催化剂层中的气体扩散层（GDL）部分的平均催化剂层组成的函数和离聚物材料。在这些模型中，催化剂层中的反应速率通常使用Butler-Volmer方程来确定。但是，离散体积模型对于精确模拟高电流密度具有局限性。最后，聚集模型假定Pt和碳载体的粒子形成了与GDL和离聚物结合的聚集体。

聚集体颗粒大多被假定为球形且完全相同，被空隙空间隔开，其中铂分散在碳中并且被离聚物结合在一起。对于PEMFC中的CO中毒进行了若干分析和数值研究，参见文献。。在这些模型中，Springer等人报道了一个最早的模拟CO中毒影响的工作;作者在动力学模型中考虑了氢和COadsorption以及随后的电氧化。在参考文献中还研究了催化剂层中CO2污染的数学公式。在文献中报道了在阳极污染物作用下稳定状态的计算流体动力学模拟，但与PEMFC相关的典型局限于分析或一维模型的瞬态动力学模型由于计算相关成本过高而报道较少。很少有作品报道了在Pt-Ru催化剂上中毒的模型。这些沙赫等人之中。提出了PEMFC一氧化碳中毒的综合一维瞬态，完全两相非等温模型。包括对质量，热量和电荷输运，化学吸附，电化学氧化和异质催化的详细描述，并且在铂催化剂催化剂上引入了一氧化碳氧化的双功能机理。在以前的研究中，不同参数性能对PEMFC的性能进行了明确的调查。虽然PEMFC的性能受到可用材料的选择和强加的工作条件的影响。在这项研究中，提出了用于表征和优化PFCFC性能的替代方法，其中考虑了来自商业PEMFC材料的不同参数的同时效应。用Pt / Ru和Pt电催化剂开发了一种能模拟PEMFC的CO和CO2中毒的新型数值瞬态三维非等温多相模型。该模型考虑了燃料电池中水的传输和相变，催化剂装载和CO中毒。所提出的模型还采用阴极催化剂层的团聚催化剂模型，其反映了许多参数对燃料电池性能的影响，包括几何结构，电极材料的孔隙率，催化剂面积，聚合物电解质膜性质和催化剂层组成。

开放阴极的PEMFC的发展^[6]

全球对化石燃料能源需求的不断增加可能导致严重的环境问题，并影响能源供应市场的稳定。质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是一种极具竞争力的能源。 FC是一种低至中等的电源，由于其高效率，高功率密度，低工艺温度，无噪声操作和零发射特性，因此是传统电池系统的替代品。质子交换膜燃料电池作为汽车和固定电力部门的替代手段也具有很大的潜力。由于这些原因，质子交换膜燃料电池越来越引起研究兴趣。但是，两种类型的PEMFC正在被主要利用。首先是典型的PEMFC系统，它具有复杂的阴极系统，包含压缩机，歧管，加湿器和冷却器。

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