质子交换膜燃料电池动态特性建模及仿真

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质子交换膜燃料电池机理模型

质子交换膜燃料电池机理模型哎呀，说到质子交换膜燃料电池（PEMFC），这玩意儿可真是个技术活儿。

咱们今天就来聊聊这个听起来高大上，实际上跟咱们生活息息相关的玩意儿。

首先，得说说这玩意儿是干嘛的。

简单来说，质子交换膜燃料电池就是一种能把氢气和氧气转换成电能的装置。

你可能会问，这跟咱们有啥关系？嘿，这关系可大了去了。

你想啊，如果这玩意儿能大规模应用，那咱们的汽车就不用烧油了，直接用氢气，既环保又节能，多好！好了，咱们来聊聊这玩意儿的机理模型。

首先，你得知道，质子交换膜燃料电池主要由三部分组成：阳极（氢气入口）、阴极（氧气入口）和中间的质子交换膜。

这膜可不是一般的膜，它得能导电，还得能阻止氢气和氧气直接接触，不然它们俩一见面就“嘭”的一声，那可就麻烦了。

咱们先从阳极说起。

氢气从阳极进入，然后在催化剂的作用下，氢分子被拆分成两个质子和两个电子。

这电子呢，就被送到电路里去，产生电流。

而质子，就得穿过那层神奇的质子交换膜，跑到阴极去。

说到这质子交换膜，它得既透气又防水，这样才能让质子顺利通过，同时不让电子和气体乱跑。

这可是个技术活儿，得用特殊的材料和工艺才能做到。

然后，咱们再来看看阴极。

氧气从阴极进入，和从阳极过来的质子结合，再吸收电子，形成水。

这水就是这整个反应的副产品，既环保又无害。

整个过程中，质子交换膜燃料电池的机理模型就像是一个精密的机器，每个部分都得精确配合，才能保证电能的高效转换。

这玩意儿虽然听起来复杂，但其实就跟咱们平时用的电池差不多，只不过它用的是氢气和氧气，而不是化学电池里的化学物质。

最后，咱们得说说这玩意儿的未来。

随着技术的发展，质子交换膜燃料电池的成本正在逐渐降低，效率也在提高。

说不定哪天，你就能开上一辆用氢气驱动的汽车，既不用担心油价上涨，也不用担心环境污染。

好了，关于质子交换膜燃料电池的机理模型，咱们就聊到这儿。

这玩意儿虽然复杂，但想想它能给咱们带来的好处，还是挺让人期待的，不是吗？。

质子交换膜燃料电池模拟器的建模与控制

ＪＮＧＺｉｉｇ一ＨＮＷｅ— ｎＱｈ－ａＵｉＩＡｈ—ｎ，ＣＥｉｏｇ，ＵＺｉｉｎ，ＧＯＡｌｒｊ
（．ｏｔｗｓＪｏｎｎｖｒｉ，ｈｎｄ１０ｌＣｉ；．ｕｈｅｔｅｒｌｍＵｉｒｔ，ｎｕ６５０，Ｃｉａ１ｕｅｔｉｔｇＵｉｓｙＣｅｇｕ６０３，ｈｎ２ＳｔｓＰｔｅｎｅｓｙＸｉｄ１００ｈｎ；Ｓｈａｏｅｔａｏｗｏｕｖｉ３ｅｉａｔｇＵｉｒｔ，ｅｉｇ１０４，ｈｎ）．ｒｎＪｏｎｎｅｓｙＢｉｎ０４ＣｉａＢｇｉｏｖｉｊ０
第４４卷第５期
２１年５月００
电力电子技术
ＰｏｒＥｌｃｒｎｉｓｗｅｅｔｏｃ
Ｖｏ．４．Ｎｏ５１４．Ｍａ２０ｙ，０１
质子交换膜燃料电池模拟器的建模与控制
姜志玲，陈维荣，志坚，郭爱屈
（．南交通大学，四川成都１西６０３；．南石油大学，四川新都１０１２西６５０；．京交通大学，北京１００３北１０４）００４
真器的输出特性与实际燃料电池的输出特性非常逼近，用其取代燃料电池进行优化控制实验是可行的，为进行燃料
电池供电系统的能量管理、制和优化提供了有利帮助。控
关键词：子交换膜燃料电池；真器；整器；换器；制器质仿调变控
中图分类号：Ｍ９１Ｔ１文献标识码：Ａ文章编号：００１０（０００ — ０３０１０ — ０Ｘ２１）５０１－２

常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池传热传质三维模拟

关键词：质子交换膜燃料电池；数学模型；传热传质
中图分类号：０６６４文献标识码：Ａ文章编号：０３ — １５（Ｏ７６１７－０４８１７２Ｏ）０ — ３１７
ＴｈｒｅｄｍｅｓｏｌｓｍｕａｉｎｏｅｔａａｓｔａｓｅＳｉｅ－ｉｎｉｎａｉｌｔｏｆｈａｎｄｍｓｒｎｆｒｎＰＥＭＦＣｓ
ｔｅｉｅｄｇｉａｅｄｅｉｎｈｎｔｒｉｔｔｄｓｇｏｆｌｆｏｗｃｎｌｎｈｎｃｄｈｍａｓｒｎｐｒｏｆａｅｉｐｏｍｅｉａｄｈａｎｅｅａｅｔｅｓｔａｓｏｔｇｓｓｎｏｒｕｓｄａｎ
Ｊｎ２０ｕｅ０７
常规流场和交指型流场的质子交换膜
燃料电池传热传质三维模拟
涂海涛，孙文策，解茂昭，阿布里提。
（连理工大学能源与动力学院，辽宁大连１６２；日本青森工业综合研究所，日本青森０００１）大１０４３—１３
Ａｏｒｎｕｔｉｌｓａｃｅｔｒ，Ａｏｒ３ — １３，ＪｐｎｍｏｉＩｄｓｒａｅｒｈＣｎｅＲｅｍｏｉ０００１ａａ）
ＡｂｔａｔＡｔｅ — ｉｅｉｎａｎ —ｓｔｒａｎｕｅｉａｍｏｌｗａｄｖｌｐｅｆｐｒｔｅｈａｇｓｒｃ：ｈｒｅｄｍｎｓｏｌｏｎｉｏｈｅｍｌｍｒｃｌｄｅｓｅｅｏｄｏｒｏｏｎｘｃｎｅ

燃料电池的建模仿真

燃料电池的建模仿真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Manhattan Scientific公司设计。

车用质子交换膜燃料电池性能仿真与试验研究

质子交换膜燃料电池（ｒｔｎＥｃａｇｒ— ＰｏｏｘｈｎｅＭｅｅ
ｂａｅＦｅＣｌ，称ＰＭＦ）移动能源最好的ｒｎｕｌｅｓ简ｌＥＣ是
仿真结果与试验结果进行比较，验证公式正确性后，分析各运行参数对电池性能的影响。
为活化电压损
失，３为欧姆电压损失，３为浓差电压损失，７７Ｅ为燃料电池的开路电压。
作者简介：倪淮生（９５）男，１７一，安徽省繁昌县人，读博士，在主要研究方向为燃料电池发动机系统优化与试验研究；ｉｕｉｅｇｆ－ｋＣＹ。ｎｈａｈｎ￣ｃｓ／ｓｖＯ１
压力、电池温度和气体相对湿度的函数。燃料电池实际的输出电压是燃料电池开路电压减去３种损失（即活化损失、欧姆损失和浓差损失）引起的电压降，
如式（）示：１所
７３ｆ一Ｅ一ｔ一。ｈｍ— 。。（）１
池系统的整体性能，料电池系统的优化设计和分燃
极和阴极，经过电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂的作用下，发生氧化和
还原反应。
阳极： — Ｈ２２Ｈ＋２一；ｅ
１
析变得十分重要。仿真以其在一定可靠性下具有低
第５期（第１８）总７期２００８年１Ｏ月
车
用
发
动
机
Ｎｏ５Ｓｒａ．７）．（ｅｉｌＮｏ１８０ｃ．０８ｔ２０

质子交换膜燃料电池流道内两相流动的数值模拟研究

质子交换膜燃料电池流道内两相流动的数值模拟研究【质子交换膜燃料电池流道内两相流动的数值模拟研究】【前言】质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种清洁高效的能源转化技术，已经引起了广泛的关注和研究。

燃料电池的流道内两相流动特性直接影响着燃料电池的性能和稳定性。

通过数值模拟研究质子交换膜燃料电池流道内两相流动的特性对于提高燃料电池性能具有重要意义。

【一、质子交换膜燃料电池简介】（1）基本结构质子交换膜燃料电池由质子交换膜、阳极流道、阴极流道组成。

其中，阳极用于供给氢气燃料，阴极用于供给氧气气氛。

（2）工作原理在质子交换膜燃料电池中，氢气在阳极上电化学氧化生成质子和电子。

质子通过质子交换膜传导到阴极，而电子则通过外部电载荷回流到阴极，形成电流。

在阴极，质子与氧气发生化学还原反应，生成水并放出电子。

【二、流道内两相流动的数值模拟】（1）流道内两相流动的定义流道内两相流动是指在质子交换膜燃料电池流道中同时存在氣體（氢气和氧气）和液体（水）两相流动的现象。

该两相流动对电池性能和稳定性有重要影响。

（2）数值模拟的研究意义数值模拟是研究质子交换膜燃料电池流道内两相流动的一种常用方法。

通过数值模拟，可以模拟流道内两相流动的速度分布、液相浓度分布等参数，从而更好地理解两相流动对燃料电池性能的影响机理。

（3）数值模拟方法在数值模拟中，通常采用计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）来模拟质子交换膜燃料电池流道内两相流动。

CFD方法通过数值求解流体力学方程和质子传输方程，得到流道内两相流动的速度分布、物质浓度分布等关键参数。

【三、质子交换膜燃料电池流道内两相流动的特性】（1）速度分布特性在燃料电池流道中，两相流动的速度分布呈现复杂的多尺度特性。

由于流道结构的复杂性和流动介质的物理性质差异，导致速度分布不均匀，且存在一些特殊的流动现象，如湍流、涡旋等。

高温质子交换膜燃料电池堆的建模与仿真

高温质子交换膜燃料电池堆的建模与仿真林煌;焦魁;尹燕;杜青【摘要】高温质子交换膜燃料电池相较于传统质子交换膜燃料电池具有更快的电化学动力性,简易的水热管理以及较强的耐CO能力等优点,因此已成为燃料电池研究工作的新热点.建立了高温质子交换膜燃料电池堆的模型,研究单电池数量、电流密度、阳极进气湿度等因素对电池堆性能的影响.研究表明,Z型结构电池堆内阳极气体质量流量分布比较一致,阴极气体质量流量分布呈中间低,两侧高的趋势.单电池数量、电流密度的增大会引起气体分布不均匀性的增强,进而使电池堆电压不均匀性增大;阳极进气湿度的变化主要影响电池欧姆损失.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2015(039)006【总页数】4页(P1225-1227,1288)【关键词】高温质子交换膜燃料电池堆;电压不均匀性;单电池数量;电流密度【作者】林煌;焦魁;尹燕;杜青【作者单位】天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TM911.4目前高温质子交换膜燃料电池(运行温度100～200℃)的研究越来越受到重视，但是其发展受到膜材料的高温耐久性的挑战。

传统膜材料在高温条件下机械强度和电化学性能都会明显降低，Wainright等 [1]开发出磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PBI)膜，在高温条件下其机械强度和电化学性能比其他类型的膜材料更有优势。

因此，磷酸掺杂的PBI膜的电导率、耐CO能力得到了大量研究者的关注[2-4]。

研究表明，相对湿度、温度以及磷酸掺杂程度都会影响PBI膜的电导率。

高温质子交换膜燃料电池数值模型的建立也是研究的热点。

Sousa等[5-6]提出了等温和非等温模型。

非等温模型重点研究两种不同几何结构(沿着流道方向和垂直流道方向)预测电池性能的准确度；等温模型着重于催化层结构对电池性能的影响，研究表明催化剂在催化层内以团状结构聚集在一起，其利用率比较低，最佳磷酸体积分数为30%～55%。

燃料电池系统动态响应特性仿真与实验研究

燃料电池系统动态响应特性仿真与实验研究燃料电池技术作为一种清洁、高效的能源转换方式，受到了广泛关注和研究。

随着全球对环境保护和可持续发展的要求日益提高，燃料电池系统的动态响应特性成为了当前研究的重要方向之一。

本文旨在通过仿真与实验研究，深入探讨燃料电池系统的动态响应特性，为其性能优化和稳定运行提供理论支持。

燃料电池系统的动态响应特性是指系统在外部扰动或负载变化下的响应速度和稳定性。

在实际应用中，燃料电池系统需要快速响应外部变化，保持稳定的输出功率，以满足不同工况下的需求。

因此，燃料电池系统的动态响应特性直接影响着系统的效率和可靠性。

为了研究燃料电池系统的动态响应特性，本文首先建立了基于Matlab/Simulink的仿真模型。

通过对系统参数和控制策略的调节，我们可以模拟不同工况下系统的响应过程，并分析系统的动态特性。

仿真结果表明，在外部扰动下，燃料电池系统能够快速调整输出功率，保持稳定运行。

同时，我们还分析了系统在不同负载变化下的响应速度和稳定性，为系统性能优化提供了参考。

除了仿真模型，本文还设计了实验平台进行燃料电池系统的动态响应特性验证。

通过搭建实验装置，我们可以实时监测系统的输出功率和电压波形，并记录系统响应过程。

实验结果与仿真结果一致，验证了系统的动态响应特性模型的准确性和可靠性。

同时，我们还探讨了不同控制策略对系统动态响应特性的影响，为系统优化提供了实验基础。

综合仿真与实验研究结果，我们发现燃料电池系统的动态响应特性受到多种因素的影响，包括系统结构、控制策略和负载变化等。

为了提高系统的响应速度和稳定性，需要综合考虑这些因素，并优化系统参数和控制策略。

未来，我们将进一步深入研究燃料电池系统的动态响应特性，探索更有效的优化方法，推动燃料电池技术的发展和应用。

让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，本文通过仿真与实验研究，深入探讨了燃料电池系统的动态响应特性，为其性能优化和稳定运行提供了理论支持。

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ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔａｃｋ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｗａｔｅｒｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｍｏｎｇｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌｓｔａｃｋ，ｔｈｅｄｅｓｃｉｐｒｔｉｏｎｓ
ｔｈｅｒａｄｉａｔｅｄｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅｓｔａｃｋ，ａｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｆｏｗｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｌａａｎｃｅｄｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｈｅａｔｒａｄｉａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｉｎ－ｌｆｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｆｕｅｌｃｅｌｌｖｏｌｔａｇｅａｎｄｔｈｅｓｔａｃｋｐｏｗｅｒｂｙｔｈｅｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔｗｅｒｅｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆｕｅｌｃｅｌｌｗａｓｎａｉｌｅｄｄｏｗｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｇｒｅｅｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｌａｙｓｄｏｗｎｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌｏｒｆａｆｕｅｌｃｅｌｌｈｙｂｉｄｒｓｙｓｔｅｍ．
第３０卷第３期
文章编号：１００６ — ９３４８（２０１３）０３ — ０１５７ — ０５
计
算
机
仿
真
２０１３年３月
质子交换膜燃料电池动态特性建模及仿真
谭旭，韩嘉骅，姚进，周小岗
（四川大学制造科学与工程学院，四川成都６１００６５）
摘要：在质子交换膜燃料电池优化设计的研究中，现有模型在描述电堆热量传递过程时普遍不符合传热学理论。为解决上述问题，依据流动换热平衡关系完善了冷却水消耗功率的理论模型，并依据热辐射理论得到了电堆辐射功率的计算方法，建
立了燃料电池动态特性仿真模型。利用仿真模型，对负载电流对电池电压和电堆功率的影响进行了仿真，并明确了燃料电池温度带来的影响，仿真结果表明符合动态响应的实际情况，建立的仿真模型为建立基于燃料电池的混合动力系统优化奠
ｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｍｏｄｅｌｓｄｏｎｏｔｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｍｅｅｔｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｔ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ｅｏｉｒｅｓ ’ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｈｅｎｄｅｓｃｉｒｂｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ＴＡＮＸｕ，ＨＡＮＪｉａ－ｈｕａ，ＹＡＯＪｉｎ，ＺＨＯＵＸｉａｏ－ｇａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６５，Ｃｈｉｎａ）
定了基础。
关键词：质子交换膜燃料电池；电化学模型；热量传递模型
中图分类号：ＴＨ１２８文献标识码：Ａ
ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌＤｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ