质子交换膜燃料电池经验模型

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1、万方数据第3l卷第7期2010年7月太阳能学报ACTAENERGIAEs0IARIsSINlCAV01．31，No．7Jul．，2010文章编号i0254-0096(2010)07-0816-08质子交换膜燃料电池经验模型徐敏1，阮新波1’2(1．南京航空航天大学自动化学院，南京210016；2．华中科技大学电气工程学院，武汉430074)摘要：分析并总结现有PEMFC经验模型相互之间的关系，并运用Saber仿真软件，结合一定的电化学原理和热动力学原理建立一个较为简单的PEMFC经验模型，模拟其稳态和动态特

2、性。结果表明：这些模型能很好地反映实际燃料电池的电气特性，对后级电力电子装置的设计具有重要指导意义。关键词：质子交换膜燃料电池；经验模型；稳态特性；动态特性中图分类号tTKSl4文献标识码：A0引吾燃料电池发电作为一种高效、清洁的发电技术，直接将贮存在燃料(主要是氢气)和氧化剂中的化学能转化为电能。一般地，按照电解质的不同，燃料电池町分为碱性燃料电池(饿)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SoK)等。其中，PEMFC因其可在常温

3、下工作，且结构紧凑、不使用腐蚀性的液态电解质，得到了更加广泛的应用¨矧。为了优化燃料电池发电系统，有必要建立燃料电池的模型并进行仿真分析，模拟其稳态和动态特性。本文对现有燃料电池的模型进行总结和分类，在此基础上，建立一个简单通用的质子交换膜燃料电池经验模型，并给出了实验和仿真结果，验证模型的准确性。1燃料电池的工作原理虽然不同类型的燃料电池的电解质不同，电极的化学反应也不相同，但是其工作原理类似，如图1所示。燃料(氢气、甲醇等)在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳离子和自由电子；氧化物(通常为氧气)在阴

4、极催化剂作用下发生还原反应得到电子并产生阴离子；电解质只允许阳离子或者阴离子电解质图1燃料电池工作原理示意图Fig．1Di唧showingtheop∞ltionprincipleofafuelcell通过，而不允许自由电子通过，阳离子和阴离子通过电解质分别运动到另一个电极上，同时自由电子通过外部电路由阳极运动到阴极，使整个反应过程达到物质平衡和电荷平衡u。J。对于PEMFC而言，氢气在阳极被电离为质子和电子，质子和电子分别通过质子交换膜和外部电路运动到阴极，和阴极的氧气在催化剂作用反应生成水，同时产生电和热

5、。其总反应式为：1{02+H2一H20+电能+热(1)2瑚C经验模型2．1PEMFC模型的分类PEMFC的数学模型分为机理模型和经验模型，收稿日期：2008—11—19基金项目：国家自然科学基金重点项目(50837003)；江苏省“六大人才高峰”项目计划(07-EXY22)；新世纪优秀人才支持计划(N(日狮12)通讯作者：阮新波(】970一)，男，博t、教授、博1：牛导师，主要从事功率电子变换技术、航空航大供电系统、新能源供电系统和电力电子系统集成方面的研究。ruanxb@nuaa．edu．cn万方数据7期

6、徐敏等：质子交换膜燃料电池经验模型817机理模型虽然能从基本的化学反应过程描述PEMFC的特性和工作情况，但计算过于复杂，而且在建模时作了许多理想假设，影响模型的准确性。因此，从实用角度出发，在合理假设的前提下，通过参数整定、曲线拟合等方法，建立简单有效的经验模型，也能很好地反映实际燃料电池的电气特性[4】。2．2PEMFC输出电压图2给出了PEMFC静态特性曲线，其中理论电动势代表燃料中化学能全部转化为电能所对应的电动势，此过程中假设燃料电池没有能量损失，或者说这个过程是“可逆的”，因此又称为可逆电动势。

7、但实际上燃料电池中的化学反应是不可逆的，实际输出的电压要低于理论电动势，通常称这种差异为“过电位”。如图2所示，随着电流的增加，燃料电池输出电压会有所下降，在电流较小或较大时电压下降幅度均较大，在中间区域近似线性下降，通常把这3个区域称为活化极化区(又称为电化学极化区)、欧姆极化区和浓差极化区。图2PEMFC静态特性Fig．2SlaticcharacteristicofPEMFC燃料电池的不可逆性导致燃料电池输出电压低于理论电动势，在上述PEMFC输出特性的3个区域中分别包含3种不可逆因素，它们分别是活化损

8、失、欧姆损失和浓差损失。活化损失主要是由于在驱动电子传输到电极或传输出电极时，电极表面的化学反应速度过慢导致产生的部分电压被损耗掉；欧姆损失是克服电子通过电极材料以及各种连接部件、质子通过质子交换膜的阻力而引起的；浓差损失是由于电极表面反应物的浓度差而导致的，这种浓度差主要由供气不足引起。这些损失决定的过电位分别称为活化过电位、欧姆过电位和浓差过电位。这样，PEMFC的输出的电压移亿就可以表示为：口fc=K一秽m