燃料电池的建模仿真

《燃料电池的建模仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、燃料电池的建模仿真发布时间:2009-12-16新闻来源:中仿科技虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具    燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。 图1 可拆分燃料电池的模型，可以作为手机电池实现多次充电。     如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起

2、直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。    燃料电池具有很多电子产品的优越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能，非常适用于汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度，使得他比普通电池更适于可携带设备。    在大部分汽车发动机中，汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转

3、化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆，燃料中的化学能首先转化为电能，然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制，导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论上转化效率可高达90%左右，要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中，这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料，燃料电池汽车行驶的距离将是普通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低，燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。     电子工业一直在追求燃料电池的微型

4、化。Motorola公司发现使用一个燃料元件的燃料电池手机的待机时间是普通电池手机待机时间的五倍。除了作为手机电池，燃料电池还可以应用于笔记本电脑、MP3、MP4以及其他娱乐设备。图1中是微型燃料电池手机充电器，电池是通过安醅中的可燃气体驱动，是由纽约ManhattanScientific公司设计。    燃料电池在不具备电力基础设施的区域具有巨大的应用前景，从为美国阿波罗登月计划中为飞船提供电力，到为船舶、便携建筑工具、临时交通控制、维持生命的流动设备、以及军事设备等提供电力能源。       在普

5、通电池中，能量以化学能的形式存储在电池中。而在燃料电池中，化学能存储在燃料槽中，随时可以转化为电能。直接添加氢燃料可以省去了普通电池再次充电的时间。燃料电池产生电能的过程不足1分钟。因为不存在普通电池的自放电现象，燃料电池可以保持不间断电力供应，这大大降低了燃料电池的保养费用和提高了系统的稳定性。另外，燃料电池具有更高的能量密度，单位重量可以具有更高的电容量。    在过去的五年中，燃料电池设备和燃料汽车发展迅速。因而，虚拟模型开发工具变得重要起来。公司之间的竞争日趋激烈，为争夺这个巨大潜在市场的战斗

6、已经打响。这个阶段技术开发成为了最重要的武器，掌握着燃料电池制备技术的小公司逐渐成为大型电子和汽车公司的合作伙伴。    在这个高速发展和竞争激烈的市场中，从概念提出到原型制造的周期已经不允许持续太长的时间。因此虚拟模型的开发工具已经变的异常重要。在考虑辅助设备以及电动机的运转的前提下，对燃料电池的性能优化面临这许多的数学难题。因此数学建模成为了燃料电池研发过程中重要的工具。将建模仿真和实验相结合，降低能本同时也加速了模型系统的搭建和研制。     建模仿真为人们研究燃料电池的电化学过程以及电池系统中

7、电极和电解液的作用过程提供了巨大的帮助。所有过程的描述都在微米量级：单催化聚合物，阴阳电极及电解液组成的电池元胞，汽车燃料电池中燃料加工的反应模型，还包括燃料电池电极板材料的设计，以及它们在燃料电池中对欧姆损耗的影响和系统优化。   图2在质子交换膜燃料电池的阴极，氢质子穿过交换膜和氧结合形成水，电子从外电路流向阴极形成电流。 燃料电池系统    燃料电池工作机制是分离燃料的氧化原理，例如氢的氧化和氧的还原。在阴阳两极分别发生氧化和还原过程；阳极释放电子通过外部电路流向阴极形成电流。下面的反应发生在两

8、类燃料电池中，分别是质子交换膜和磷酸燃料电池。固态氧化物、熔融碳酸盐燃料以及碱性燃料电池都有类似的反应。阳极反应：H2 =2H+ +2e-阴极反应：2H+ +1/2O2 +2e- =H2O     外部电路通过导线连接，质子在电解液中传输组成了电池的内部电路（图2）。     从环保的角度来看，由可再生能源如太阳能产生的氢是燃料电池中的最佳燃料。然而，尽管在金属氢化物和纳米光纤等方面已开始了大规模的研究，氢的存储依然很困难。当今，如甲醇和碳氢化合物等醇类