车用燃料电池发动机模型搭建及仿真研究.pdf

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1、车用燃料电池发动机模型搭建及仿真研究王桂许思传周定贤常国峰(同济大学汽车学院，上海201804)【摘要】利用AMESim搭建质子交换膜燃料电池(PEMFc)发动机单电池和电堆瞬态仿真模型，同时利用某80kW质子交换膜燃料电池电堆试验数据验证了该仿真模型的正确性，为燃料电池的仿真及预测分析提供了一种新的工具。通过此模型研究了燃料电池电堆的运行参数如气体压力、温度等对电堆性能的影响，同时也预测了阳极侧杂质气体含量对电堆性能的影响。【Abstract】ThispaperpresentsaPEMfuelcellmodelbasedonAMEsim

2、software．Thetransi．entperformanceofthePEMfuelstackisalsosimulated．Thismodelandsimulationarethenvalidatedbyexperimentsconductedonan80kWBallardPEMfuelstack．Theimpactsontheperformanceofnu-merousparameterssuchastemperature，pressureandimpuritieswhichdiffusefromtheanodesidehasb

3、eenstudiedthroughthismode1．【主题词】燃料电池发动机汽车利用AMESim软件的图形化建模、易于扩展修0引言改、仿真结果处理分析方便等特点，搭建零维PEM燃料电池发动机瞬态仿真模型，适用于控制策略研究、系统匹配、整车模拟、PEM燃料电池性质子交换膜(PEM)燃料电池发动机以其高能能分析等诸多方面。量密度、零排放、高效率等突出优点，成为各政府和各汽车企业应对日益严峻的能源和环境问题的重要选择⋯。因PEM燃料电池试验研究风险较1AMESim的单电池建模方法大，所以仿真研究具有重要意义。目前国内外针对PEM燃料电池发动机

4、仿真利用AMESim搭建PEM燃料电池发动机仿真研究采用的仿真模型，存在着诸多以不同研究对模型，以阴极为例(如图1)。通过AMESim电化学象、研究方法和研究工具的研究成果。加拿大温库中的电化学模块可以仿真模拟计算电化学反应莎大学研究人员针对水分和气体压力对单电池过程中的活化损失V。电阻模块可以模拟单电性能的影响作相关仿真研究；密西根大学研究池双极板、气体扩散层(GDL)和催化层(CL)造成人员利用Simulink搭建基于控制方面的车载的电压降V，对于PEM电解质造成的电压降选PEM燃料电池发动机系统模型；同济大学研究用电阻模块中的PEM

5、子模块，考虑PEM膜内阻受人员利用Simulink搭建PEM燃料电池发动机零温度和水含量的影响；同时模拟PEM的电渗和反维稳态模型。以上学者的研究方法虽能一定程扩散造成的水迁移现象。对于单电池的GDL层选度反应PEM燃料电池特性，但建模工作量大，扩用混合气体库的多孑L介质模块和组分扩散模块，展修改困难，仿真结果处理分析不便。本文介绍气体扩散层模型主要模拟PEM燃料电池反应过收稿日期：2010—10—08·l2·上海汽车2010．12程中的传质和浓度损失。电堆输出电压为U=E一一V一V⋯(1)除了上述的关键模块，模型中还选用混合气体库中的管

6、路、腔室等模块用于模拟单电池内部的能量和质量传递。图2电堆建模示意图示，主要由阴极空气供应系统、阳极氢气供应系统、冷却系统、电堆及控制系统组成。电堆由440片有效面积为30000mm、流道所占面积双极板为55％的单电池组成。冷却系统用以保障电堆、空气加湿器及空压机等组件运行温度正常，而阴极、阳极气体供应系统和控制系统保障适当温度及湿度的反应气体定量地进入电堆。试图1单电池阴极模型验过程中，通过控制冷却系统的水流量和散热风扇转速调节电堆运行温度，控制空气压缩机2PEM燃料电池发动机的建模方法转速及背压阀开度调节电堆空气侧压力及空气流量，通过

7、调节空气及氢气流量调节反应物化PEM燃料电池发动机通常以数片单电池串联学当量比成电堆的形式应用。电堆模型的搭建可以采用多种形式，如以实际数量的单电池模型串联构成，但负载其建模和修改模型工作量大，对硬件要求高，因此本文对电堆模型的搭建进行了一定简化。设实体电堆由n片单电池串联组成，电堆仿真模型基于单电池模型拓展而得，即将单电池面积放大倍，以保证其反应物量和生成物量与实际电堆相当，则电堆的理论输出电压及电流与所搭建模型的电流电压的关系如下：=／'tXelj(2)空气滤清器=lc。u／n(3)图3试验台架示意图其中Vs和分别为电堆的输出电压和电

8、流，而。和，。。分别为所搭建模型的电压和电流，如3．1电堆模型外部特性试验验证图2所示。这种简化方式易于修改拓展。此试验验证从电堆运行温度和气体化学当量比对电堆外部特性影响的角度上考察电堆模型