质子交换膜燃料电池系统仿真与控制
发布时间：2021-09-04 12:59
质子交换膜燃料电池系统是燃料电池汽车的能量源,其性能与寿命是影响燃料电池汽车发展的重要因素。对PEMFC系统进行建模与仿真是对其进行研究的重要手段,科学有效的控制是提高其寿命和性能的重要方法。本文主要对PEMFC系统进行建模、仿真与控制。首先对阴极供气系统、阳极供气系统、热管理系统、燃料电池电堆进行分析与建模;然后对所建立模型进行相应工作特性仿真,最后根据仿真结果确定供气系统与热管理系统控制方法并验证其科学性与有效性。主要研究工作如下:（1）分析并建立PEMFC阴极供气系统、阳极供气系统、热管理系统模型。根据理论公式建立PEMFC电压模型,对温度和压力对于其输出电压、活化电压损失、欧姆电压损失、浓度电压损失的影响进行仿真。建立电堆阴极流道和阳极流道模型、质子交换膜湿度模型、电堆温度变化模型,为仿真打下基础。（2）对阴极供气系统空压机转速对于阴极进气流量、进气压力的影响,中冷器冷却液流量对于空气冷却效果的影响进行仿真;对阳极供气系统减压阀定压控制,减压阀开度对于氢气流量的影响,电流变化下阳极进出气流量、氢气消耗流量的变化进行仿真;对电堆在定电流与变电流条件下阴极进气压力对于输出电压,输出...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC 系统组成
山东理工大学硕士学位论文第三章质子交换膜燃料电池电堆分析与建模17第三章质子交换膜燃料电池电堆分析与建模3.1PEMFC电堆结构与工作原理概述3.1.1PEMFC电堆结构PEMFC电堆由多个燃料电池单体组成，每个燃料电池单体由双极板（BP）、气体扩散层（GDL）、催化层（CL）和质子交换膜（PEM）等部分组成[55]。PEMFC单体结构与工作原理如图3.1所示。图3.1PEMFC结构与工作原理图Fig.3.1PEMFCstructureandworkingprincipledrawing质子交换膜须具有相对较高的质子导电性，对氧化剂与还原剂的分隔提供足够的屏障，且保证在电堆运行环境中化学和机械稳定，是质子交换膜燃料电池的核心。催化剂层可部分位于气体扩散层，部分位于质子交换膜，也可全部位于质子交换膜，这取决于制造工艺。气体扩散层位于催化层与双极板之间，为反应气体从流场通道到催化剂层提供路径，同时也将催化剂层与双极板电气连接，使形成完整电路。双极板将PEMFC单体串联连接，且具有热量传导散热作用，并为气体传输提供流场通道。氢气存储在氢气瓶中，经过减压阀减压后通过管道进入阳极流道；空气被空压机从环境吸入经过滤器、中冷器、加湿器等部件后进入阴极流道。3.1.2PEMFC工作原理在氢气到达阳极流道氧气到达阴极流道后，氢气与氧气通过气体扩散层到达催
山东理工大学硕士学位论文第三章质子交换膜燃料电池电堆分析与建模19图3.2是通过建模仿真得到的PEMFC输出电压随电流密度变化曲线，即PEMFC典型极化曲线。图中纵坐标为PEMFC输出电压vfc，单位为伏特(V)；横坐标为电流密度i，单位为安培每平方厘米(A·cm-2)。由仿真结果可知，随着电流密度增大，输出电压逐渐减小，这是因为质子交换膜燃料电池存在活化电压损失，欧姆电压损失和浓度电压损失[57]。图3.2PEMFC典型极化曲线Fig.3.2TypicalPEMFCpolarizationcurve3.2.2活化电压损失模型由于活化电压损失主要由阴极侧氧气的还原反应决定，由巴特勒-沃尔默方程的第二项成为主导可得阴极侧还原反应对应的活化电压损失公式：)(ln0iiFαRTvaact(3-9)式中，αa为电荷转移系数，i0为交换电流密度，在这里均为常数，可通过经验公式计算。所以上式可采用一种表征活化电压损失的简化方法进行表示，即塔菲尔方程：ibav)log(act(3-10)塔菲尔方程是纯粹的经验方程，式中：)(log3.2-0iαFRTa(3-11)αFRTb3.2(3-12)在任意给定温度下，塔菲尔斜率仅取决于转移系数α。但塔菲尔方程只对0ii才适用，i0为交换电流密度，典型值为0.1mA·cm-2。所以采取一个对于电流密度均适用的类似函数公式对活化电压损失进行表示：)1(10icaactevvv(3-13)式中，v0为在电流密度为0时的电压降，c1为常数。v0，va的值是氧气分压和温度的函数，如下所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]水冷PEMFC热管理系统控制策略及仿真研究[J]. 赵洪波,刘杰,马彪,郭强,刘晓辉,潘凤文. 化工学报. 2020(05)
[2]燃料电池重卡热管理研究[J]. 郭帅,赵航,张有文,张俊. 汽车实用技术. 2019(20)
[3]质子交换膜燃料电池建模综述[J]. 张鉴,华青松,郑莉莉,李希超,张健敏. 电源技术. 2019(06)
[4]《中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书（2018—2019）》正式发布[J]. 胡敏. 炼油技术与工程. 2019(05)
[5]燃料电池热管理系统设计及研究[J]. 浦及,秦晓津,芦岩,王宇鹏,丁天威,赵子亮. 汽车文摘. 2019(04)
[6]PEMFC空气供给系统的二型自适应模糊建模与过氧比控制[J]. 王永富,马冰心,柴天佑,张晓宇. 自动化学报. 2019(05)
[7]质子交换膜燃料电池热管理技术的进展[J]. 刘波,赵锋,李骁. 电池. 2018(03)
[8]质子交换膜燃料电池的数学模型及其仿真研究[J]. 彭湃,程汉湘,陈杏灿,杨健,余音. 电源技术. 2017(03)
[9]质子交换膜燃料电池系统建模仿真与控制[J]. 皇甫宜耿,石麒,李玉忍. 西北工业大学学报. 2015(04)
[10]质子交换膜（PEM）燃料电池变载过程动态模型[J]. 陈会翠,裴普成. 清华大学学报(自然科学版). 2014(10)
博士论文
[1]车用质子交换膜燃料电池水传递动态建模与状态估计[D]. 胡骏明.清华大学 2017
[2]质子交换膜燃料电池温度控制研究[D]. 程思亮.清华大学 2017
[3]影响燃料电池寿命的动态响应分析及经济性评价[D]. 陈会翠.清华大学 2015
硕士论文
[1]燃料电池空气供给系统控制及能量管理策略研究[D]. 张晨.青岛大学 2019
[2]燃料电池动力系统特性及其控制研究[D]. 宋天助.吉林大学 2019
[3]燃料电池空气进给系统建模与控制[D]. 隋建明.哈尔滨工业大学 2019
[4]燃料电池发电系统的控制研究[D]. 程祥钊.山东大学 2019
[5]质子交换膜燃料电池建模与控制研究[D]. 胡捷.合肥工业大学 2019
[6]质子交换膜燃料电池发电系统建模及仿真研究[D]. 房鑫.青岛大学 2018
[7]水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统控制研究[D]. 牛茁.西南交通大学 2018
[8]燃料电池发电系统控制优化与设计[D]. 吴字强.武汉理工大学 2018
[9]水冷型PEMFC热管理系统建模与控制研究[D]. 史青.西南交通大学 2017
[10]质子交换膜燃料电池动态建模与性能仿真分析[D]. 常英杰.重庆理工大学 2017
本文编号：3383310
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC 系统组成
山东理工大学硕士学位论文第三章质子交换膜燃料电池电堆分析与建模17第三章质子交换膜燃料电池电堆分析与建模3.1PEMFC电堆结构与工作原理概述3.1.1PEMFC电堆结构PEMFC电堆由多个燃料电池单体组成，每个燃料电池单体由双极板（BP）、气体扩散层（GDL）、催化层（CL）和质子交换膜（PEM）等部分组成[55]。PEMFC单体结构与工作原理如图3.1所示。图3.1PEMFC结构与工作原理图Fig.3.1PEMFCstructureandworkingprincipledrawing质子交换膜须具有相对较高的质子导电性，对氧化剂与还原剂的分隔提供足够的屏障，且保证在电堆运行环境中化学和机械稳定，是质子交换膜燃料电池的核心。催化剂层可部分位于气体扩散层，部分位于质子交换膜，也可全部位于质子交换膜，这取决于制造工艺。气体扩散层位于催化层与双极板之间，为反应气体从流场通道到催化剂层提供路径，同时也将催化剂层与双极板电气连接，使形成完整电路。双极板将PEMFC单体串联连接，且具有热量传导散热作用，并为气体传输提供流场通道。氢气存储在氢气瓶中，经过减压阀减压后通过管道进入阳极流道；空气被空压机从环境吸入经过滤器、中冷器、加湿器等部件后进入阴极流道。3.1.2PEMFC工作原理在氢气到达阳极流道氧气到达阴极流道后，氢气与氧气通过气体扩散层到达催
山东理工大学硕士学位论文第三章质子交换膜燃料电池电堆分析与建模19图3.2是通过建模仿真得到的PEMFC输出电压随电流密度变化曲线，即PEMFC典型极化曲线。图中纵坐标为PEMFC输出电压vfc，单位为伏特(V)；横坐标为电流密度i，单位为安培每平方厘米(A·cm-2)。由仿真结果可知，随着电流密度增大，输出电压逐渐减小，这是因为质子交换膜燃料电池存在活化电压损失，欧姆电压损失和浓度电压损失[57]。图3.2PEMFC典型极化曲线Fig.3.2TypicalPEMFCpolarizationcurve3.2.2活化电压损失模型由于活化电压损失主要由阴极侧氧气的还原反应决定，由巴特勒-沃尔默方程的第二项成为主导可得阴极侧还原反应对应的活化电压损失公式：)(ln0iiFαRTvaact(3-9)式中，αa为电荷转移系数，i0为交换电流密度，在这里均为常数，可通过经验公式计算。所以上式可采用一种表征活化电压损失的简化方法进行表示，即塔菲尔方程：ibav)log(act(3-10)塔菲尔方程是纯粹的经验方程，式中：)(log3.2-0iαFRTa(3-11)αFRTb3.2(3-12)在任意给定温度下，塔菲尔斜率仅取决于转移系数α。但塔菲尔方程只对0ii才适用，i0为交换电流密度，典型值为0.1mA·cm-2。所以采取一个对于电流密度均适用的类似函数公式对活化电压损失进行表示：)1(10icaactevvv(3-13)式中，v0为在电流密度为0时的电压降，c1为常数。v0，va的值是氧气分压和温度的函数，如下所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]水冷PEMFC热管理系统控制策略及仿真研究[J]. 赵洪波,刘杰,马彪,郭强,刘晓辉,潘凤文. 化工学报. 2020(05)
[2]燃料电池重卡热管理研究[J]. 郭帅,赵航,张有文,张俊. 汽车实用技术. 2019(20)
[3]质子交换膜燃料电池建模综述[J]. 张鉴,华青松,郑莉莉,李希超,张健敏. 电源技术. 2019(06)
[4]《中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书（2018—2019）》正式发布[J]. 胡敏. 炼油技术与工程. 2019(05)
[5]燃料电池热管理系统设计及研究[J]. 浦及,秦晓津,芦岩,王宇鹏,丁天威,赵子亮. 汽车文摘. 2019(04)
[6]PEMFC空气供给系统的二型自适应模糊建模与过氧比控制[J]. 王永富,马冰心,柴天佑,张晓宇. 自动化学报. 2019(05)
[7]质子交换膜燃料电池热管理技术的进展[J]. 刘波,赵锋,李骁. 电池. 2018(03)
[8]质子交换膜燃料电池的数学模型及其仿真研究[J]. 彭湃,程汉湘,陈杏灿,杨健,余音. 电源技术. 2017(03)
[9]质子交换膜燃料电池系统建模仿真与控制[J]. 皇甫宜耿,石麒,李玉忍. 西北工业大学学报. 2015(04)
[10]质子交换膜（PEM）燃料电池变载过程动态模型[J]. 陈会翠,裴普成. 清华大学学报(自然科学版). 2014(10)
博士论文
[1]车用质子交换膜燃料电池水传递动态建模与状态估计[D]. 胡骏明.清华大学 2017
[2]质子交换膜燃料电池温度控制研究[D]. 程思亮.清华大学 2017
[3]影响燃料电池寿命的动态响应分析及经济性评价[D]. 陈会翠.清华大学 2015
硕士论文
[1]燃料电池空气供给系统控制及能量管理策略研究[D]. 张晨.青岛大学 2019
[2]燃料电池动力系统特性及其控制研究[D]. 宋天助.吉林大学 2019
[3]燃料电池空气进给系统建模与控制[D]. 隋建明.哈尔滨工业大学 2019
[4]燃料电池发电系统的控制研究[D]. 程祥钊.山东大学 2019
[5]质子交换膜燃料电池建模与控制研究[D]. 胡捷.合肥工业大学 2019
[6]质子交换膜燃料电池发电系统建模及仿真研究[D]. 房鑫.青岛大学 2018
[7]水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统控制研究[D]. 牛茁.西南交通大学 2018
[8]燃料电池发电系统控制优化与设计[D]. 吴字强.武汉理工大学 2018
[9]水冷型PEMFC热管理系统建模与控制研究[D]. 史青.西南交通大学 2017
[10]质子交换膜燃料电池动态建模与性能仿真分析[D]. 常英杰.重庆理工大学 2017
本文编号：3383310
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