基于机理分析与实验测试的PEMFC系统动态模型研究

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1、前沿动态2009年第1期在临床使用中也不尽相同，西藏、云南的藏医主要用花来配制藏成药，叶习惯用于药浴治疗皮肤病，青海、四川甘孜州阿坝州的藏医则花、叶均可内服使用。独特的高原生态环境赋予这些高原特有植物的化学成分与生长在其它地方同属和相近的植物有很大差异，长期的藏医用药历史肯定了相应活性成分的存在，从中发现结构新颖的活性成分和先导化合物的可能性很大。科学的积累可以开拓新的思路。长期以来，我国创新药物的研究一直是以仿制为主，因此，开发具有自主知识产权，具有新作用机制和资源特色的新药物，成为当务之急。从天然产物中寻找和发现先导物的工作是

2、创制新药的关键，也是目前国际上研究天然产物活性成分的主要思路和方法。基于机理分析与实验测试的PEMFC系统动态模型研究陈维荣(电气工程学院)1研究意义燃料电池是2l世纪对人类社会产生重大影响的高新技术之一，也是人类步人氢能时代的一个重要里程碑。燃料电池是一种高效、环境友好的能源装置，它直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。近年来燃料电池技术的发展备受各国政府和企业重视，无论是学术上的基础研究或者是商业上的应用开发均有长足的进步。对于许多应用装置来说，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种非常有吸引力的能源，适用于可移动动力

3、源、电动车以及分散电站。PEMFC具有低运行温度、高功率密度、快速响应、快速启动能力、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点。现在国内外相关研究机构已对PEMFC电特性进行了大量研究，但主要是针对其稳态特性，而对PEMFC动态特性的研究却较少。由于PEMFC动态特性研究对于电池的设计开发和实际应用有极其重要的作用，同时涉及到流体力学、热力学、电化学以及计算机等众多学科分支，因此，PEMFC动态特性的研究具有重要的科学研究和工程应用意义。目前，已提出的PEMFC系统动态模型，其机理复杂、参数繁多且不易确定、计算时间长，且模

4、型中没有综合考虑电压系统、空气供应系统、水管理系统和热量管理系统等相关子系统的建模，所以不适合用于PEMFC系统设计和控制。2国内外研究现状及分析2．1PEMFC稳态模型的研究现状PEMFC的工作过程复杂，其工作原理涉及到流体动力学、热力学、传质学、电化学、材料学等学科。目前，根据不同的建模方法可将PEMFC的数学模型分为稳态模型和动态模型，每种模型又可分为机理模型和实验模型。PEMFC的稳态模型已有大量研究成果，其数学模型也相对比较成熟。作者简介：陈维荣，男，教授。·18·前沿动态2009年第1期PEMFC机理模型是根据PEMF

5、C工作机理和相关理论建立数学模型，通过仿真分析电池(包括单电池和电堆)组成元件的结构与参数、电池的工作过程(传质和传热)、工作条件或参数(反应气体流量、压力、湿度及电池温度)等对电池性能的影响，为PEMFC的优化设计和保证其高性能、高可靠性和长寿命的运行提供依据。PEMFC机理模型虽然能够从一定程度上描述PEMFC的特性和工作情况，但是往往计算复杂，而且由于在建模时做的许多理想假设，使得模型的精确性受到一定影响。PEMFC实验模型主要是通过实验方法，建立描述PEMFC的输出特性(输出电压与电流密度或电流关系)的经验公式。模型描述的

6、是PEMFC的外特性或电特性，而且避开了复杂的定理公式，在合理假设的前提下，通过参数整定、曲线拟合等方法建立。PEMFC实验模型结构简单，使用方便，能较好地反应电池的输出特性，因此在PEMFC设计和性能分析中经常使用。但由于模型的建立主要是基于一些具体对象的实验数据和实际经验，其建模工作量大，模型有较大局限性并与实际对象之间存在一定误差，并且无法描述电池内部的动态工作过程。针对PEMFC的机理模型，S．Yiy建立了二维稳定状态的等温机理模型，论证了交指状流场与平行沟槽蛇行流场不同的工作原理及交指状流场的优越性。A．Kazim分别建

7、立了平行沟槽蛇行流场和交指状流场的二维稳定等温机理模型。通过模型求解结果，从理论分析证明，对于提高电池性能交指状流场优于平行沟槽蛇行流场。J．J．Baschuk基于电池基本工作过程建立了一维等温稳定的输出特性机理模型，该模型主要反应了阴极不同的水含量对电池输出特性的影响。通过仿真，分析了不同的阴极气体、压力、电池温度对电池性能的影响。R．An．drew进一步建立了电池工作全过程的一维非等温单电池模型，并通过模型仿真研究了设计和工作参数对电池性能、热响应和水管理的影响。D．Natarajan在二维两相流多组分模型基础上，通过模型仿真

8、详细研究了平行沟槽蛇行流场结构对电池性能的影响。F．Jaouen等建立了基于反应层为团状结构的一维单相等温稳定机理模型，通过模型仿真详细研究了反应层中质子传输受限和团状结构中氧扩散受限和反应动力学问题。T．Berning基于建模理论，建立了除未考虑