基于oer的大功率pemfc系統(tǒng)動態(tài)建模

1、莃莇蝿芃艿莆袁肆膅蒞羄袈 基于OER的大功率PEMFC系統(tǒng)動態(tài)建模 . 密級:公開國內(nèi)圖書分類號:國際圖書分類號:.西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文基王星&的太功奎里星叢里丕統(tǒng)動奎建槿年 級三二級姓 名賀堡漁申請學(xué)位級別工堂亟業(yè)專電左丕統(tǒng)區(qū)墓自動他指導(dǎo)老師 隆維苤數(shù)援二零一三年五月一奄一二,平丑月 : .:. :物療: :.西南交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將木論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保

2、存和匯編本學(xué)位論文。木學(xué)位論文屬于年解密后適用本授權(quán)書;.保密口,在.不保密圇,使用本授權(quán)書。請在以上方框內(nèi)打”學(xué)位論文作者簽名:觸碼指導(dǎo)老師簽名:竹派葷日期:%厶./日期:沙/.,.刃西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文主要工作貢獻聲明本人在學(xué)位論文中所做的主要工作或貢獻如下:.搭建了綜合動態(tài)模型。模型包括極化電壓動態(tài)模型、氫氧有效壓力動態(tài)模型和熱力學(xué)動態(tài)模型。仿真分析了在不同工況條件下,系統(tǒng)的極化曲線、堆電壓、功率、效率的動態(tài)響應(yīng)。.搭建了空壓機模型和電堆物質(zhì)傳遞模型。仿真分析了不同環(huán)境因素條件對空氣壓縮機模型的影響。.搭建了由空壓機模型和電堆模型組成的燃料電池發(fā)動機模型,仿真得到過氧比特性曲線,分析

3、了過氧比與系統(tǒng)輸出功率與系統(tǒng)效率的關(guān)系。同時仿真分析了不同電堆溫度條件下過氧比特性曲線的變化。本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立進行研究工作所得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體,均已在文中作了明確說明。本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責(zé)任將由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:質(zhì)甄碭日期;伽.西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁摘 要質(zhì)子交換膜燃料電池是世紀對社會產(chǎn)生重大影響的新能源,它是一種非常高效和環(huán)保的能源裝置。近年來,燃料電池汽車、混合動力汽車以及燃料電池機車等都將其作為理想能

4、源進行研發(fā)。目前關(guān)于的研究主要是針對其穩(wěn)態(tài)特性,對動態(tài)特性的研究相對較少。本實驗室項目組在對燃料是衡量燃料電池系電池機車的研究過程中發(fā)現(xiàn),過氧比統(tǒng)發(fā)電性能的重要指標(biāo)。因此本文重點研究了的動態(tài)特性和等相關(guān)問題。本文主要研究工作和結(jié)論如下:.在介紹了燃料電池和工作原理的基礎(chǔ)上,詳細介紹了燃料電池輸出特性和的,描述了燃料電池極化現(xiàn)象以及對燃料電池系統(tǒng)發(fā)電性能的影響。指出是衡量燃料電池系統(tǒng):發(fā)電性能的重要指標(biāo)。.建立了包含極化電壓動態(tài)模型、氫氧有效:分壓動態(tài)模型、熱力學(xué)動態(tài)模型的綜合動態(tài)模型。將各動態(tài)模型對系統(tǒng)輸出的影響進行了較為詳細的分析,仿真分析了在不同運行條件下綜合動態(tài)模型的極化曲線、輸出電壓、

5、功率以及效率的動態(tài)響應(yīng)。適當(dāng)?shù)奶岣邷囟?、反?yīng)氣體流量和膜濕度有助于提高電池性能,陰極氧氣流量對電池性能的影響要大于陽極氫氣流量的影響。.搭建了由空壓機模型和電堆模型等構(gòu)成的燃料電池發(fā)動機模型。對空壓機模型進行仿真,分析了環(huán)境溫度和大氣壓力對空壓機的影響。得出工作環(huán)境的海拔高度上升,則空壓機功耗增加,相應(yīng)降低燃料電池發(fā)動機的系統(tǒng)效率。對燃料電池發(fā)動機模型仿真,仿真得到特性曲線,分析了燃料電池系統(tǒng)輸出功率和系統(tǒng)效率特性,對比分析了不同電堆溫度條件下的特性曲線的變化。適當(dāng)?shù)纳邷囟扔兄谔岣呦到y(tǒng)效率,卻會使空壓機功耗增大,降低系統(tǒng)電能利用效率。.最后在.系統(tǒng)上實驗,驗證了穩(wěn)態(tài)模型的正確性,同時也驗證

6、了本文所建立的動態(tài)模型的可行性。因此,本文所建立的模型能夠較為清楚有效地反映的動態(tài)性能。關(guān)鍵詞:質(zhì)子交換膜燃料電池,過氧比,動態(tài)建模,仿真,實驗西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁 , ,. , , .,?. . , . . . ,. , , .,. ,. 。 . , , . .,. ,西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁, ., , ., ,. , ,: ,西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁目 錄第章緒論?.課題相關(guān)背景與意義?.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀?.木文的主要研究內(nèi)容.第章燃料電池特性與的過氧比?.燃料電池.質(zhì)子交換膜燃料電池?.燃料電池輸出特性.燃料電池的極化現(xiàn)象?.燃料電池理想開路

7、電壓.燃料電池活化極化?.燃料的穿透和內(nèi)部短路電流損失?.燃料電池歐姆極化?.燃料電池濃差極化?.燃料電池寄生電容效應(yīng)?.的過氧. 電池組管理?.本章小結(jié)?.第章模型和空壓機模型.機理模型.水傳遞模型?.催化層模型?.擴散層模型?.模型中基本數(shù)學(xué)方程?.經(jīng)驗?zāi)Ｐ?綜合動態(tài)模型.穩(wěn)態(tài)模型?西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁.動態(tài)模型?.電堆物質(zhì)傳遞模型?.電堆物質(zhì)的供應(yīng)和消耗?.電堆物質(zhì)狀態(tài)的變化.空氣壓縮機模型?.空壓機壓縮過程溫度變化?.空氣壓縮機圖?.空氣壓縮機模型?.本章小結(jié)?.第章模型仿真分析及實驗驗證.模型仿真結(jié)果與分析?.仿真模型.模型仿真結(jié)果分析?.空氣壓縮機模型仿真分析?.環(huán)

8、境因素對空氣壓縮機的影響.過氧比特性曲線分析.系統(tǒng)實驗及模型驗證?.系統(tǒng)簡介. 系統(tǒng)實驗與穩(wěn)態(tài)模型驗證.本章小結(jié)?.第章總結(jié)與展望?.總結(jié)?.展望?.致謝?.參考文獻?.攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文?.第頁西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第章緒論.課題相關(guān)背景與意義能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今世界所面臨的兩大難題。隨著經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和人口增長,全世界的能源消耗將會不斷增長。經(jīng)濟發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間的矛盾日益加劇。高效、環(huán)保和安全的新型能源的研究和開發(fā)是解決能源危機和環(huán)境污染問題的重要方案之一。風(fēng)能、水能、太陽能、燃料的化學(xué)能等新能源得到了社會各界的強烈重視。燃料電池 是一種新型綠色能源。它

9、使用氫氣這種可再生的綠色能源,能量轉(zhuǎn)換效率反應(yīng)過程中實現(xiàn)零排放,并且不會造成環(huán)境污染。燃料電池高,環(huán)保、適應(yīng)性強、噪聲低,模塊化結(jié)構(gòu),比功率高。燃料電池是蒸汽機和內(nèi)燃機時代之后的新一代能源動力系統(tǒng),是燃料電池電動汽車、混合動力汽車和燃料電池電動機車的理想能源之一?。在軌道交通領(lǐng)域中,面臨節(jié)能減排這個重要問題,研發(fā)燃料電池電動機車是有效應(yīng)對此問題的一個重要手段。燃料電池與普通蓄電池有著極大的區(qū)別,普通蓄電池能夠儲存能量,而燃料電池在工作時需要有燃料輸入才能產(chǎn)生電能。因此,在工作方式上燃料電池是一個不能“儲電”的“發(fā)電廠”。正是由于這種特殊發(fā)電模式,燃料電池發(fā)電方式相比傳統(tǒng)發(fā)電方式有著不可比擬的優(yōu)

10、勢【】:能量轉(zhuǎn)化效率高。效率取決于單池電壓,與發(fā)電廠的規(guī)模無關(guān)。理論上其發(fā)電效率可以達到%一%。即小容量發(fā)電機組也能達到大發(fā)電廠的發(fā)電效率。然而在實際工作時受各種極化的限制影響,目前發(fā)電效率在%一%。環(huán)境的友好。燃料電池在工作過程中幾乎不排放硫化物和氮氧化物,其環(huán)境友好度是傳統(tǒng)火力發(fā)電是無法相比的。同時根據(jù)電池燃料的不同,二氧化碳的排放量也不同。例如,以甲醇作為燃料,二氧化物排放量不到常規(guī)發(fā)電廠的%;以氫氣作為燃料,不排放二氧化碳,生成物為水?？煽啃愿?。燃料電池的模塊式結(jié)構(gòu)是由單池疊加在一起組成的,發(fā)電裝置規(guī)模是由單池串聯(lián)的電池組并聯(lián)后確定的,維修方便。同時,當(dāng)系統(tǒng)過載運行或者低于額定功率運行

11、時,電池系統(tǒng)都能很好承受這些且效率變化不大嵋。噪聲低。燃料電池運動部件很少,按電化學(xué)原理工作,工作時安靜,噪聲低。靈活性。燃料電池發(fā)電時容量調(diào)節(jié)具有很強的靈活性。表卜為燃料電池與蓄電池分別應(yīng)用于電動汽車時的性能指標(biāo)對:第頁西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文表.燃料電池電動汽車與蓄電池電動汽車對比【】燃料電池發(fā)展到現(xiàn)在,從第一代的磷酸燃料電池已經(jīng)發(fā)展到第五,。代的質(zhì)子交換膜燃料電池 是目前世界上一種能將氫氣與空氣中的氧氣化合成潔凈水并釋放出電能的裝置,燃料為可再生的氫氣,生成的反應(yīng)物是水,實現(xiàn)了零排放,是高效且環(huán)保的新型能源【。同時系統(tǒng)是一個具有多輸入多輸出、強非線性、強耦合性、時滯性、不確定性的復(fù)

12、雜系統(tǒng)。其動態(tài)特性涉及領(lǐng)域廣泛,包括熱力學(xué)、電化學(xué)以及流體力學(xué)等眾多學(xué)科。質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用前景廣闊,其中主要包括:航天航空、分布式發(fā)電、交通工具動力源、移動通訊、小型電源等各種領(lǐng)域。要實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池普及商業(yè)化,需要解決兩個問題:提高性能和降低成本。利用建立數(shù)學(xué)模型進行分析預(yù)測是優(yōu)化燃料電池性能的有效方法。因此對模型的研究有重要意義。同時數(shù)學(xué)模型有助于熟悉和了解電池的工作原理和特性行為。通過模擬電池在不同設(shè)計條件和操作條件下的系統(tǒng)現(xiàn)象,有利于優(yōu)化性能,減少系統(tǒng)研究時間和成本。對于的研究相當(dāng)復(fù)雜,其涉及到許多自然學(xué)科。目前對的研究主要是針對其穩(wěn)態(tài)特性,對時間維度的影響并沒有加以考慮,

13、因此對動態(tài)特性的研究較少。在電池組實際工作中,需經(jīng)常變換負載大小、電池溫度、冷卻劑溫度或流量、進出口氣體量,并且電池性能還會隨著時間變化而衰減?，F(xiàn)在大多數(shù)的模型沒有全面考慮氫氣和空氣供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等,而主要是針對電池性能的預(yù)測、元件設(shè)計以及最優(yōu)運行條件等進行研究【。因此本文建立一個綜合的動態(tài)模型,對的動態(tài)特性分析有重要意義。此外對燃料電池的系統(tǒng)輸出功率和系統(tǒng)效率的研究也極其重要。在研究車西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁用燃料電池發(fā)動機的過程中發(fā)現(xiàn),大功率系統(tǒng)存在“氧饑餓”和“氧飽和”現(xiàn)象【第二章詳細介紹。這兩種現(xiàn)象都會使系統(tǒng)凈輸出功率降低,在“氧飽和”現(xiàn)象中的空壓機模型產(chǎn)

14、生的寄生功率損耗也是一個不容忽視的因素。因此,為了保證系統(tǒng)凈輸出功率和系統(tǒng)效率以及改善系統(tǒng)動態(tài)特性,對系統(tǒng)過氧比【】特性的研究尤為重要第二章詳細介紹。因此,本文建立空壓機模型以及燃料電池發(fā)動機模型來研究與系統(tǒng)輸出功率和系統(tǒng)效率的相互關(guān)系有重要的實際意義。.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機理模型是根據(jù)工作機理和相關(guān)理論建立數(shù)學(xué)模型,通過仿真分析單池和電堆組成元件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)、工作條件或參數(shù)反應(yīng)氣體流量、壓力、濕度及電池溫度、電池的工作過程傳質(zhì)和傳熱等對電池性能的影響,為對進行優(yōu)化設(shè)計和保證其高可靠性、高性能和長壽命的運行提供依據(jù)。然而雖然機理模型能夠從一定程度上較為清楚地描述的特性和工作情況,但計算往往過于復(fù)雜

15、,同時在建模時做了較多的理想假設(shè),使模型的精確性受到一定程度影響。文獻,】中建立了二維穩(wěn)定狀態(tài)的等溫機理模型,通過模型論證了交指狀流場與平行溝槽蛇形流場不同的工作原理以及交指狀流場的優(yōu)越性。文獻】基于電池基本工作過程建立了等溫穩(wěn)定輸出特性機理模型,仿真中分析了不同壓力、陰極氣體和電池溫度對電池性能的影響,反應(yīng)了陰極不同的水含量對電池輸出特性的影響。文獻【 】進一步建立了電池工作全過程的一維等溫單池模型,通過仿真分析了工作參數(shù)對電池性能、熱響應(yīng)和水管理的影響。文獻【】在二維等溫機理模型基礎(chǔ)上,通過仿真研究了平行溝槽蛇形流場對電池性能的影響。文獻 】中建立了基于團狀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)層的一維單相等溫穩(wěn)定機

16、理模型,通過仿真研究了反應(yīng)層中團狀結(jié)構(gòu)的氧擴散受限、質(zhì)子傳輸受限和反應(yīng)動力學(xué)等情況。文獻【 基于建模理論,建立了一個比較全面的非等溫三維單池機理模型,但是模型沒有考慮相變情況,模型采用計算流體動力學(xué)法進行了求解;通過仿真得到反應(yīng)氣體在不同電流密度下氧的摩爾濃度分布以及擴散層的濃度分布,從中可以確定極限電流密度值。的實驗?zāi)Ｐ椭饕峭ㄟ^實驗方法,建立描述的輸出特性輸出電壓與電流密度或電流關(guān)系的經(jīng)驗公式。在合理假設(shè)的前提下,通過參數(shù)整定、曲線擬合等方法建立。實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡單,使用方便,能較好地反應(yīng)電池的輸出特性,因此在設(shè)計和性能分析中經(jīng)常使用。但由于模型的建立乇要是基于一些具體對象的實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)

17、驗,其建模工作量大,模西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁型有較大局限性,并與實際對象之間存在一定誤:差,并且無法描述電池內(nèi)部的動態(tài)工作過程。文獻 】提出了單池輸出特性實驗?zāi)Ｐ?低電流密度和中等電流密度時模型能較好地反應(yīng)活化極化和歐姆極化對輸出電壓的影響,但對于高電流密度,模型結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相差很遠。文獻【】在文獻【】建立的模型基礎(chǔ)上,將電堆劃分為若干個單元假設(shè)每個單元的工作參數(shù)均勻一致,然后計算每個單元功率,并累加得到電堆的總功率,該模型可以用于分析電堆局部工作參數(shù)對膜電極性能的影響,同時對不同電堆的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。文獻 】對文獻【】中的模型進行了修正,引入了非線性指數(shù)項,修正后實驗?zāi)Ｐ湍?/p>

18、夠很好地描述整個電流密度范圍內(nèi)單池的輸出特性,并得到了實驗驗證。文獻【 】在文獻【基礎(chǔ)上提出了電堆輸出特性實驗?zāi)Ｐ汀ｋm然穩(wěn)態(tài)模型可以反映在穩(wěn)定狀態(tài)下運行的性能,但在具體應(yīng)用中,系統(tǒng)并不是穩(wěn)定不變的,而是具有一定的動態(tài)特性,因此研究動態(tài)特性非常重要。然而動態(tài)模型在機理分析和實驗測試上存在較大難度,因此相對于穩(wěn)態(tài)模型進展較為緩慢。文獻 】利用實驗數(shù)據(jù),對電池工作機理的輸出特性公式系數(shù)進行了線性回歸,得到電堆輸出特性模型,并采用統(tǒng)計法驗證了模型的置信度。文獻【,】研究了溫度動態(tài)響應(yīng)。文獻【】考慮了陽極極化動態(tài)模型,并在計算歐姆過電壓時,引入膜電阻系數(shù),適用于所有的膜。文獻【,對動態(tài)響應(yīng)進行實驗測試,

19、并在文獻】中采用支持向量機和,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立動態(tài)模型。文獻采用改進粒子群優(yōu)化優(yōu)化算法和搜尋者優(yōu)化算法對模型進行了優(yōu)化,改善了模型性能。文獻【建立了電堆參數(shù)模型,研究了運行參變量對電堆動態(tài)性能和電堆非線性內(nèi)阻產(chǎn)生的影響。文獻采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識特性曲線來模擬實際電壓值,辨識出電堆電壓的模型,并采用/對其所提出的整個控制系統(tǒng)進行模擬仿真。文獻】基于的動態(tài)輸出特性,利用/仿真工具提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)模型,并通過燃料電池測試系統(tǒng)對的暫態(tài)電響應(yīng)進行測量和分析。文獻設(shè)計了一種適應(yīng)模糊控制器,在環(huán)境下利用典型的階系統(tǒng)評估控制器的性能,來實現(xiàn)對輸出電壓的控制。文獻【采用一種改進粒子群優(yōu)化算法,提

20、出了一種優(yōu)化燃料電池模型的方法,并用于質(zhì)子交換膜燃料電池的極化曲線模型,得到最優(yōu)參數(shù)。文獻 】運用質(zhì)量守恒和能量守恒等理論,建立了膜增濕器分布式穩(wěn)態(tài)模型和集總式動態(tài)模型,并利用實驗對模型進行了修正。文獻提出模糊控制系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)常規(guī)控制系統(tǒng),能夠表征燃料電池電池內(nèi)部的非線性特性和時變特性。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第頁大多數(shù)的動態(tài)模型仍然不夠完善,雖能反映系統(tǒng)的運行機理,可用于電堆元件設(shè)計及性能的預(yù)測與分析,但大多沒有包括大功率系統(tǒng)的輔助設(shè)備功耗模型,因此不適合用于分析“氧饑餓”、“氧飽和”等問題【。而.等首次提出的“氧饑餓”問題的動態(tài)模型【】,即沒有考慮溫度對電堆的影響,也沒有考慮電堆散

21、熱系統(tǒng)的功耗問題,且其空壓機模型的工作范圍有限,不適合大功率系統(tǒng)的“氧飽和問題研究。.本文的主要研究內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容是對的綜合動態(tài)建模以及空氣壓縮機的建模進行仿真研究,并且在實驗系統(tǒng)上驗證模型。研究過程中的主要內(nèi)容有如下幾個部分。.對燃料電池進行了介紹,重點介紹了燃料電池的輸出特性以及質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理。對的過氧比進行了詳細介紹,分析了過氧比對燃料電池系統(tǒng)輸出功率所造成的影響。.分析了模型,其中包括機理模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型等;重點分析了電堆物質(zhì)傳遞模型和空氣壓縮機模型:電堆物質(zhì)傳遞模型中介紹了電化學(xué)反應(yīng)中電堆物質(zhì)的供應(yīng)和消耗,以及反應(yīng)后電堆物質(zhì)狀態(tài)的變化;分析了空

22、壓機壓縮過程中溫度變化情況,并且根據(jù)空壓機圖數(shù)據(jù)來建立了空氣壓縮機模型。描述了機理模型主要依靠電化學(xué)定律、質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律等來建立;經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t是依靠經(jīng)驗擬合出來的伏安特性曲線數(shù)學(xué)公式模型。介紹了建立綜合動態(tài)模型和空壓機等模型所需要的穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)模型數(shù)學(xué)表達式。爿各上面介紹的模型在仿真軟件中進行搭建,搭建了綜合的動態(tài)模型和空氣壓縮機模型。對穩(wěn)態(tài)模型進行了仿真分析,考慮到加入電壓動態(tài)模型、加入氫氧有效分壓動態(tài)模型、加入熱力學(xué)動態(tài)模型后的系統(tǒng)仿真輸出,對堆電壓、功率、效率的變化進行了對比分析。在不同運行條件下對綜合動態(tài)模型的仿真進行了比較和分析,分析了不同溫度和不同膜含水量等條件下的極化曲線

23、、堆電壓、功率、效率的動態(tài)響應(yīng)。.對空氣壓縮機模型仿真,仿真分析了外界環(huán)境因素對空壓機模型出口空氣流量和空壓機功耗的影響。將空壓機模型搭建到電堆模型上面,建立一個燃料電池發(fā)動機模型,仿真得到過氧比特性曲線,分析了系統(tǒng)輸出功率特性和系統(tǒng)效率特性。仿真得到在不同溫度下的過氧比特性曲線,分析了溫度對過氧比特性曲線的影響。.采用 系統(tǒng)進行燃料電池系統(tǒng)公司研發(fā)的.的基本性能和動態(tài)性能測試實驗,實驗包括負載電流、堆電壓和功率輸出的測定。將仿真波形和經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)得到的波形進行對比,驗證本文所建立模型的正確性。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁第章燃料電池特性與的過氧比.燃料電池燃料電池既是一種能量轉(zhuǎn)換裝置

24、,也是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置【。它的工作原理是按照電化學(xué)原理,把存儲在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池相比熱機擁有更高的效率。用最基本的氫氧燃料電池為例,如圖.所示。氫離子在電解質(zhì)內(nèi)進行遷移,電子在外電路回路中進行流動和做功。陰極中的氧化劑進行還原反應(yīng),陰極的對外電路又稱為正極。陽極中的燃料或還原劑進行氧化反應(yīng),陽極的對外電路又稱為負極。如下為兩極上的化學(xué)反應(yīng)方程式:陰極反應(yīng):二?/陽極反應(yīng):鴆一一總反應(yīng):妻?負載圖.燃料電池:作原理圖?燃料電池與常規(guī)電池有著極大的區(qū)別,常規(guī)電池能夠儲存能量,而燃料電池在工作時需要有燃料和氧化劑輸入才能產(chǎn)生電能。而且它的氧化劑和燃料是儲存在電池外部的儲存

25、罐中。當(dāng)它工作時輸出電流不會做功,需要不斷給電池提供燃料和氧化西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁劑,并且同時排出反應(yīng)產(chǎn)物。燃料電池發(fā)展至今,已經(jīng)研究和開發(fā)出了很多種不同類型的燃料電池。表.所示是按照電池中電解質(zhì)分類規(guī)劃的不同電池【。表.燃料電池的技術(shù)狀態(tài)從表.中顯示出,質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池都具有低運行溫度、快速啟動的特點,并且可以按照負載的需求快速改變輸出特性。如今質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)相對成熟,擁有眾多優(yōu)點,是混合動力汽車、燃料電池電動汽車和燃料電池電動機車的理想能源。在國內(nèi)對于車輛和機車燃料電池的研究主要集中在上,本實驗室在燃料電池電動機車的項目中,采用了系統(tǒng)作為動力,

26、下面重點介紹。.質(zhì)子交換膜燃料電池在原理上,實際是水電解的逆過程?氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水,并釋放電能。典型的質(zhì)子交換膜燃料電池由陰極、陽極、催化劑層、質(zhì)子交換膜等部分構(gòu)成。質(zhì)子交換膜燃料電池以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì),鉑.釕/炭或鉑/炭作為電催化劑,氫或凈化重整氣作為燃料,空氣或者純氧作為氧化劑,帶有氣體流動通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板【。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁膜電極是電池的核心部分,中間一層是很薄的固體有機膜一質(zhì)子交換膜,這種膜是氫離子的優(yōu)良導(dǎo)體,但不導(dǎo)電子。是標(biāo)準的氫氧燃料電池,陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng),反應(yīng)公式為:一必在的陰極層,氧氣與氫離子及電

27、子在陰極下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水,并在反應(yīng)中釋放出熱量。反應(yīng)生成的水不稀釋電解質(zhì),而是跟隨反應(yīng)尾氣一起排出。陰極的反應(yīng)式為:圭講這樣,便產(chǎn)生了電能磊。因此,在一定操作條件下,只要不斷給提供燃料氣體和氧化劑氣體,就能持續(xù)地產(chǎn)生直流電流?？傠娀瘜W(xué)反應(yīng)式為:/,亡原理結(jié)構(gòu)示意圖如下圖.所示:/, 。、?極進料?撒進料圖. 原理結(jié)構(gòu)圖作為能量轉(zhuǎn)換裝置,具有高效、環(huán)保的突出優(yōu)點。所具有的諸多優(yōu)點,使其在包括電動汽車和電動機車車載發(fā)電裝置在內(nèi)的多個應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。雖然現(xiàn)階段成本以及氫源等問題限制了燃料電池的推廣、普及與應(yīng)用,特別是在機車和汽車上的商業(yè)化應(yīng)用,但不久的將來,它將在人們的生活中發(fā)揮越

28、來越大的作用。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁.燃料電池輸出特性.燃料電池的極化現(xiàn)象理想狀態(tài)下,燃料電池輸出電壓和吉布斯自由能存在一一對應(yīng)的關(guān)系。但在實際使用中,燃料電池電堆輸出電壓要小于吉布斯自由能的對應(yīng)值,并且隨著工作狀態(tài)的變化而變化,尤其是隨著電流的增大而減小。如圖.為典型的燃料電池單池極化曲線剛。造成燃料電池電堆的輸出電壓和理想狀態(tài)存在較大差異的原因是燃料電池在電化學(xué)反應(yīng)過程中存在以下幾個方面的能量損失,造成系統(tǒng)的不可逆性,又稱為極化現(xiàn)象?,分別為:理論燃料電池電壓?弋.輸出電壓.電流密度/圖燃料電池單池典型的極化曲線?活化極化:主要是由于發(fā)生在電極表面的反應(yīng)速度過慢導(dǎo)致的。在驅(qū)動

29、質(zhì)子傳輸?shù)交蛘邆鬏敵鲭姌O進行化學(xué)反應(yīng)時,產(chǎn)生的能量損耗。燃料的穿透和內(nèi)部短路電流:盡管理論上電解質(zhì)只允許質(zhì)子通過,但事實上總會存在一定數(shù)量的燃料擴散和電子流通過電解質(zhì),造成能量損失,直接反映為開路電壓的降低。也有觀點認為該極化現(xiàn)象屬于活化極化的一部分。歐姆極化:主要是克服電子通過電極材料以及各種連接部件及離子通過電解質(zhì)的阻力引起的能量損失。這種電損失造成的電壓降和電流基本上呈線性比例關(guān)系,所以又被稱為阻抗損失。濃差極化:主要是由于電化學(xué)反應(yīng)過程中,電極表面反應(yīng)物被消耗,濃度下降,西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁導(dǎo)致無法向電極表面提供足夠的反應(yīng)物, 引起電壓損失。這種損失是由于傳質(zhì)過程弓起

30、的,故又稱為傳質(zhì)損失。造成上述各種極化現(xiàn)象的原因不同, 并且在不同的工作條件下,各種極化現(xiàn)象對系統(tǒng)的影響程度也不盡相同?；罨瘶O化是因為電極反應(yīng)中反應(yīng)物質(zhì)的活化能量損失,主要和反應(yīng)的類型、反應(yīng)物質(zhì)的活性、催化劑的類型和微觀結(jié)構(gòu) 有關(guān);歐姆極化是由于質(zhì)子在電解質(zhì)和電極中傳遞、電子在雙極板中傳遞過程中的介質(zhì)電阻和接觸電阻引起的能量損失,受到電流密度、材料特性、幾何結(jié)構(gòu)和工作溫度等因素的影響;濃差極化是由于反應(yīng)過程中物質(zhì)傳輸速度限制引起的能量損失,主要受到反應(yīng)物質(zhì)的活性、電極結(jié)構(gòu)和電流密度的影響。要改善燃料電池的極化程度,一個方法是通過改進燃料電池和電堆的結(jié)構(gòu),降低電解質(zhì)和雙極板集流板之間的電阻;另個

31、方法則是通過改善燃料和氧化劑的供應(yīng)特性,降低由質(zhì)子傳導(dǎo)引起的歐姆極化。燃料電池的極化程度越嚴重,輸出電壓越低,則能量的轉(zhuǎn)換效率也就越低。為了提高燃料電池效率則需要降低其極化程度。.燃料電池理想開路電壓理想狀況下,吉布斯生成自由能對應(yīng)的電壓數(shù)值即為燃料電池的開路電壓,一般。以,條件為標(biāo)準,實際的吉布斯自由使用能斯特公式計算能變化量表示為:土弦。盱。警式中, :標(biāo)況下吉布斯自由能變化量/;:普通氣體常數(shù)./.;%:燃料電池溫度;名,:氫氣分壓力;%:氧氣分壓力;斥,:水蒸氣分壓力。對于氫氣的消耗,根據(jù)法拉第定律可以得到:半:。,。單電池在理想情況下的開路電壓:汜。艮一矧:一:.笪絲秈笠墮,而一壽簫

32、秈弩式中的電壓稱為能斯特電壓或可逆電壓。利用標(biāo)準狀況下的燃料電池輸出電壓作為基準點,則由熱力學(xué)特性可知【】:西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第頁弦,薷?？租痘I將上式及相應(yīng)熵值和常數(shù)帶入式.可得出:一.?.木木%. .。術(shù),。水%木?%:圭木?:五式中,.。:理想開路電壓;:氫氣氧化的熵變/。.燃料電池活化極化活化極化現(xiàn)象在陰極和陽極均存在。由于陽極的氫氣氧化過程速度很快,然而陰極的氧氣還原過程相對緩慢,因此陰極的反應(yīng)條件決定活化極化的程度范臥】。公式描述出活化極化程度和電流密度的關(guān)系:協(xié),瞄纂秈忖叫引式中,。:活化極化過電壓;僅:電荷傳輸系數(shù);活化極化系數(shù);:電流密度聊;:交換電流密度聊。上式中

33、的交換電流密度隨著溫度升高而增加,其增幅遠遠超過活化極化系數(shù)隨溫度變化的增加幅度【 。隨著溫度的升高,電化學(xué)反應(yīng)速率加快,交換電流密度呈數(shù)量級的上升,活化極化程度大大減小。通過實驗將電壓損失和電流密度之間的公式進行擬合得到公式,在交換電流密度小于電流密度的情況下有效,針對上述的情況儀局限在有限范圍內(nèi),因此可將上述關(guān)系進行近似處理,使其在整個范圍內(nèi)包括交換電流密度大于電流密度條件下有效,文獻【】給出了改進型的擬合結(jié)果:?巴心岫。藝術(shù)一式中,咖開路活化極化過電壓;乜、?:為擬合參數(shù),由燃料電池膜電極的特性決定,影響的因素包含工作溫度和氧氣分壓力等。.燃料的穿透和內(nèi)部短路電流損失燃料的穿透和內(nèi)部短路

34、電流損失的原理基本是一致的。燃料的穿透等同于在外部接上一個虛擬的負載,浪費了相應(yīng)的電能,因此導(dǎo)致了開路的情況下燃料電池產(chǎn)生活化極化現(xiàn)象。造成開路電壓小于理想電壓以及在開路情況下燃料電池存在氫氣消耗的主要原因是由于燃料的穿透和內(nèi)部短路電流損失。將燃料的穿透和內(nèi)部短路電流損失的影響統(tǒng)一考慮為虛擬的漏電流密度。,則燃料電池的活化極化過電壓根據(jù)式.可表示為:西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第 頁.燃料電池歐姆極化協(xié)?吁而.蕊.?.燃料電池濃差極化濃差極化現(xiàn)象是在電流密度較大條件下,隨著反應(yīng)物快速消耗以及反應(yīng)物質(zhì)分壓西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第頁力快速降低而導(dǎo)致燃料電池電壓迅速下降的現(xiàn)象。濃差極化的

35、程度與系統(tǒng)的特性和電流密度相關(guān)。利用最大電流密度確定濃差極化造成的電壓損失,最大電流密度定義為在該情況下燃料的消耗達到供應(yīng)的最大速率,輸出電流繼續(xù)增加時燃料電池輸出電壓出現(xiàn)陡降 。在工程應(yīng)用中的燃料電池最大輸出電流通常定義為該數(shù)值的% ,濃差極化造成的電壓損失可以表示為:億驢柏引式中,。觚:濃差極化電壓損失;:濃差極化系數(shù)。將上述公式進行擬合,濃差極化造成的電壓損失為【】:.巨帆腑木 :木。“/式中,為擬合參數(shù)。.燃料電池寄生電容效應(yīng)由于燃料電池的雙極板具有存儲電荷的能力,形成了寄生的電容。當(dāng)燃料電池的輸出電流增加,寄生電容起到快速補充的作用,延緩活化極化和濃差極化的速度,而歐姆極化程度迅速加

36、深。根據(jù)式.和.,將活化極化和濃差極化的作用等效為電阻,則有【】:一托一藝術(shù)卅%億”卜亡】式中,。,:活化極化等效電阻;。:濃差極化等效電阻。寄生電容的電氣特性可描述為:匕:盟 .:,。弘義臣洲乜。如。,一圪一,尼木枷式中,:等效寄生電容;曠:寄生電容電壓。.過氧比在車用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機的研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn),大功率系統(tǒng)不儀存在嚴重的“氧饑餓”現(xiàn)象,同時也存在嚴重的、一般小功率系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)常常忽略的氧飽和”現(xiàn)象 。如果陰極氧氣流量過低,即產(chǎn)生“氧饑餓”現(xiàn)象,將導(dǎo)致電堆供氧不足,使系統(tǒng)輸出功率降低,同時會使質(zhì)子交換膜表面出現(xiàn)“熱點”,西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁導(dǎo)致電堆短路、降

37、低電堆使用壽命等問題;如果氧氣流量過高,即產(chǎn)生“氧飽和”現(xiàn)象,將導(dǎo)致系統(tǒng)寄生功耗增大,使系統(tǒng)凈輸出功率降低【】。凈輸出功率為電堆輸出功率與系統(tǒng)輔助設(shè)備所需的寄生功耗之差,而寄生功耗主要由空氣壓縮機產(chǎn)生。因此,為了保證系統(tǒng)凈輸出功率和系統(tǒng)效率以及改善系統(tǒng)動態(tài)特性,必須對陰極氣體維持在最佳值。流量進行優(yōu)化控制,使系統(tǒng)過氧比定義為進入陰極的氧氣質(zhì)量流量易,圳。與反應(yīng)所消耗的氧氣質(zhì)量流量壇朋。腳之比,其定義式如下【:.:絲:竺:竺,旭表征系統(tǒng)的供氧狀況,是衡量系統(tǒng)發(fā)電性能的重要指標(biāo)。為避免燃料電池系統(tǒng)運行時出現(xiàn)“氧饑餓”、“氧飽和”等問題,保證系統(tǒng)跟蹤最佳,最大化系統(tǒng)凈輸出功率,提高系統(tǒng)效率,延長系統(tǒng)

38、使用壽命,開展對最佳控制的深入研究將具有十分重要的意義。文獻】中給出一組在不同負載電流時,與系統(tǒng)凈輸出功率之間的關(guān)系曲線,如圖.?？梢?當(dāng)系統(tǒng)達到最優(yōu),如果繼續(xù)增加就會引起寄生功耗增加,從而使系統(tǒng)凈輸出功率減小。負載電流越大,此特點越突出。;邑斟盡簿遜圖不同負載電流下的系統(tǒng)凈輸出功率與的關(guān)系曲線【】此外, 的變化還會對濕度和溫度控制產(chǎn)生較大影響,特別是在氣體增濕問題上面更為突出【引。隨著氧氣流量增大,所需要的加濕量增加,這樣就增西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁加了氣體加濕的難度。空氣供應(yīng)流量的增大可以提高空氣的流速,使得電堆內(nèi)部生產(chǎn)的液態(tài)水更容易排出,減少氣體流場堵塞的概率。如果供應(yīng)氣體

39、沒有得到足夠的加濕,提高空氣流量則更容易導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水,導(dǎo)致電堆失效。.電池組管理電池組的管理可以分為電管理、熱管理、水管理。電堆是由多個單電池串聯(lián)或者并聯(lián)組成。只有在一定的工作條件下,電堆才能夠穩(wěn)定有效地產(chǎn)生直流電引。.熱管理在較高功率運行時,電池組能量的轉(zhuǎn)換效率在%左右;以低功率。因此,電池組有%運行時,能量的轉(zhuǎn)換效率能夠達到%左右【的廢熱必須排出,以維持電池組工作溫度的恒定。目前對大功率電池組大多數(shù)采用水冷系統(tǒng)的冷卻方式。針對小功率的電池組,也可以使用空冷系統(tǒng)冷卻方式。如果利用水冷系統(tǒng)冷卻,應(yīng)該在電池組里面安置排熱板。每節(jié)單電池都需要加設(shè)排熱板,以防止電池組內(nèi)部溫度分布不均勻。排熱板

40、內(nèi)設(shè)有冷卻液的管路通道,這個管路可以防止冷卻液倒流回到冷卻腔里面,致使單電池的局部溫。度升高如果利用水作為冷卻劑,需要利用去離子水。因為如果水遭到污染,水的電導(dǎo)率將增加,電池組中的冷卻水流將會發(fā)生電解,這時會點解產(chǎn)生氫和氧的混合氣體,將會影響電池的運行,同時也會造成電池組內(nèi)部漏電,從而降低電。如果將乙二醇和水混合后作為冷卻劑,這樣電阻將會池組的能量轉(zhuǎn)化效率變大,造成比熱容減小,導(dǎo)致循環(huán)量會增加。同時,如果冷卻液體被金屬離子。污染,去除難度會大大增加【空氣冷卻方式主要是針對百瓦級或千瓦級的電池組。此時應(yīng)該分別控制作為氧化劑和冷卻劑的空氣,以此來簡化熱管理系統(tǒng)模式。.水管理質(zhì)子交換膜一般需要充分吸

41、取水分才能有較好的質(zhì)子傳輸性能,當(dāng)質(zhì)子交換膜中水趨于飽和時,離子電導(dǎo)率高,歐姆電阻低,此時效率高。電池組中的水管理情況由水平衡和水傳輸決定。中的水平衡一個顯著的特點是電極中反應(yīng)的生成物是液態(tài)水,而不是水蒸氣。在質(zhì)子交換膜中,因膜現(xiàn)在燃料電池的質(zhì)子交換膜廣泛采用日本杜邦公司的系列的電導(dǎo)率與水含量成線性關(guān)系,因此必須保持聚合物電解質(zhì)中西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁有充足的含水量以確保其傳導(dǎo)率.,膜一旦失水將引起電導(dǎo)率急劇下降。然而與電解質(zhì)固定在一起的電極卻并不需要過多的水,過多水反而會淹沒電極,阻塞電極或氣體擴散層的孔洞。因而在中,濕度要保持適中。濕度控制中,除了在提供純氧的特殊情況下,一

42、般都是利用空氣運走生成物水。空氣供給的速度總是比電池需要的速度快,以確保供給電極必需的氧氣。如果空氣的供給量剛好是電化學(xué)反應(yīng)計量值,就會因出口氣體中氧的幾乎消耗殆盡而發(fā)生嚴重的“濃度損失現(xiàn)象?“干死”。因而空氣系數(shù)九、空氣供給量與理論用量的比值的實際值至少為【。絕對濕度絕對濕度,又稱為比濕度。是單位體積空氣內(nèi)含有的水汽質(zhì)量,即水汽的密度。飽和濕度是指在定氣壓和定溫度的條件下,單位體積的空氣能夠含有水蒸汽的極限數(shù)值。相對濕度相對濕度表示在一定溫度時,空氣中水汽壓與飽和水汽壓之比,用百分比表示,是可直接觀測的最普通的濕度量。不再具有脫水效應(yīng)的空氣,即不能再承受更多的水分的空氣,稱為完全濕化。濕度控

43、制中的濕度應(yīng)該接近 %。若出口氣體的相對濕度小于 %,說明電極反應(yīng)生成的水少于尾氣帶出的水分。唯一的解決辦法就是給反應(yīng)氣體加濕,有陰極加濕和兩極加濕兩種方法。當(dāng)出口空氣的相對濕度遠小于 %時,意味著電池干燥,將停止工作。然而相對濕度:大于%是理論計算,實際上是不可能達到的,因為這時空氣流中包含冷凝水滴,可用通入空氣的方法進行處理。與此同時,濕度遠大于 %時,會產(chǎn)生電極淹沒現(xiàn)象,造成電極“淹死”。故而濕度過高或過低對都不利。電池加濕內(nèi)部加濕對運行進行內(nèi)部加濕的核心是確定適宜的空氣系數(shù),以確保出口氣體相對濕度在 %附近,也能夠保證電池內(nèi)部的水平衡。外部加濕雖然小型的可不需要外部加濕,但大型的系統(tǒng)必

44、須進行外部加濕。為了降低過電壓,特別是活化過電壓,運行工作溫度需高于【?？照{(diào)系統(tǒng)的加濕技術(shù),是進硅方式的主流。另外還有將液態(tài)水直接注入到燃料電池和自加濕法兩種。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁.電管理適用于大電流、低電壓輸出應(yīng)用,工作密度能夠達到彳/。對相同功率輸出的電池組,增大電極工作面積,可減:少電池組單池個數(shù),有利于電池組內(nèi)部反應(yīng)氣的分配,改善單池電壓分布均勻性【引。對于的輸出,部分用戶需要電壓穩(wěn)定的直流電,而另外部分用戶則需要性能良好的交流電。基于這種特點,必須對電池組的電輸出進行有效管理。電池直流輸出利用電流升壓穩(wěn)壓器/、實現(xiàn);而對交流用戶,需要再額外接一個直流交流/轉(zhuǎn)換器,將

45、直流電轉(zhuǎn)換為一定頻率的單相或三相交流電【?。.本章小結(jié)在本章中,針對燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理作了介紹。對燃料電池輸出特性做了全面透徹的解析,特別是燃料電池的極化現(xiàn)象。給出過氧比的概念,分析了對燃料電池系統(tǒng)輸出功率和系統(tǒng)效率的影響。本章還較為詳細地介紹了電池組的管理?水、熱、電管理。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 頁第章模型和空壓機模型.機理模型的數(shù)學(xué)模型可以分為機理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。按研究的?cè)重點不同分為質(zhì)子交換膜水傳遞模型、擴敦層模型、氣體分配管道與流場模型、催化層模型和單電池模型與電池組模型。機理模型是根據(jù)的工作原理,在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上,從理論上研究電池動態(tài)運行情況所建立的

46、數(shù)學(xué)模型,雖然機理模型能夠描述電池內(nèi)部特征,然而由于很多變量需要考慮,即使經(jīng)過假設(shè)和近似能夠建立機理模型,模型仍然過于復(fù)雜,且難以操作。.水傳遞模型在電池工作時,陽極中的水會向陰極側(cè)遷移,致使陽極側(cè)在大電流密度時水含量會減少,進而膜電阻增加。目前的水傳遞模型簡介如下:.擴散模型擴散模型是基于溶解擴散理論。溶解于膜中的水分子是在陰極產(chǎn)生的水和由于電遷移作用產(chǎn)生的水,致使?jié)舛忍荻确聪鄶U散,擴散方程采用定律。若陽極、陰極間有壓力差,則水在膜中的傳遞過程還有壓力遷移作用。.對流模型建立了將膜參數(shù)的相互作用考慮在內(nèi)的對流模型,認為毛細壓力是局部水含量的函數(shù),電遷移導(dǎo)致水含量的分布不均勻。在模型中將膜結(jié)構(gòu)

47、性質(zhì)與電壓一電流密度曲線特征結(jié)合起來,較為詳細地描述了極限電流、歐姆控。制區(qū)域等【.塵流模型認為膜的聚合物基體和磺酸基團是微塵,極性分子水與解離的形成“。.統(tǒng)計力學(xué)模型該模型中假設(shè)膜孔為圓柱形,空氣中含有個日:分子。采用統(tǒng)計力學(xué)建立模型對膜內(nèi)水和質(zhì)子的傳遞過程進行了研究。西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第 頁.催化層模型催化層模型可以劃分為兩類:一類為微觀模型,考慮微孔內(nèi)的傳遞現(xiàn)象【;另一類為宏觀模型,將催化層看成為一個整體【?！俊?擴散層模型擴散層具有較大的孔隙率和憎水性來傳遞反應(yīng)氣和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水,因陽極質(zhì)量傳遞較為簡單,擴散層模型主要研究陰極。.模型中基本數(shù)學(xué)方程描述陰、陽極擴散層多組分

48、氣相擴散方程方程?:恥善等。式中,一組分的摩爾分率;羅一組分、的有效擴散系數(shù);,一組分的傳質(zhì)通量。描述質(zhì)子在質(zhì)子交換膜內(nèi)的傳遞過程采用.方程?:一,殺妒一,。式中,妒一電位;。一質(zhì)子交換膜中水的流動速率。描述多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動采用方程】:.笠驢一笠跏式中,。一電滲透系數(shù)催化層內(nèi)質(zhì)量傳遞方程由亨利定律和定律得到,描述流道中氣體流動采用.方程【:“掣掣掣一面新卦新針卦%,“掣掣掣一萬靜卦卦卦卦%“掣掣掣一警靜卦卦豺卦%,式中,“、,、是、方向的速率;一一密度;一動力黏度;一參數(shù)彤肛/盧,/盧,膽/:;一滲透系數(shù)。描述電化學(xué)反應(yīng)有.方程?:.。/觚加。一驢】一。廠。,脅一驢 .西南交通大學(xué)碩士研究

49、生學(xué)位論文 第頁式中,口一催化層單位體積的有效面積;一定義的常數(shù)/尺丁】;口。、僅。一陽極、陰極傳遞系數(shù)。描述電池傳熱過程以及能量平衡方程【】:刪跏,蛆仃,三淝芝;舄刀“乙鼢出式中,一摩爾流率;一焓;。一比熱容;一交換系數(shù);一流道寬度。.經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖鄬τ跈C理模型,經(jīng)驗?zāi)Ｐ洼^為簡單,不用考慮電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)電池表觀就可以擬合出伏安方程。在理想狀態(tài)下的標(biāo)準電勢。.,由于實際中存在損失,實際電池電勢會有下降的趨勢,這種不可逆的損失通常稱為極化過電壓,豐要包含三種:歐姆過電壓、活化過電壓、濃差過電壓。這些損失使電池電壓低于理想標(biāo)準電勢。電流密度低時,活化極化對系統(tǒng)影響較大;電流密度高時,濃差極化

50、對系統(tǒng)的影響較大。因此,燃料電池電壓定義為熱動力電勢、活化過電壓和歐姆過電壓,同時考慮質(zhì)量傳遞影響,輸出特性經(jīng)驗公式的單池輸出電壓基本表達式如下【】:?。一圪一一二卑一式中,一電池可逆電動勢;%。一歐姆過電壓降;圪。,活化過電壓降將濃差過電壓考慮在內(nèi)的公式;.。 一實驗值和計算值的差值。將上面所描述的表達式帶入式中,得到電壓與電流密度關(guān)系式為:.礦:一護一彳三二一聊刀式中,。一燃料內(nèi)部及轉(zhuǎn)換器等效電流密度;一氧的還原反應(yīng)的塔菲爾斜率;。當(dāng)陰極過電壓遠大于陽極,為陰極交換電流密度,否則為陽極和陰極的交換電流密度,、聆一傳質(zhì)過電壓常量,一影響線性區(qū)的斜率和偏離線性區(qū)的電池電壓,胛一主要影響偏離線性區(qū)的電池電壓;一歐姆電阻,包括膜電阻、電極與極板的電子電阻、質(zhì)量傳遞電阻等。通常,。值非常小,且很難測定,故而實際的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃雎?。活化過電壓可以簡單表示為:?%./一西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第頁令/。,則經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢员硎境扇缦滦问?。一?一 ?質(zhì)子交換膜燃料電池中位于電極.電解質(zhì)界面或其附近的電荷層相當(dāng)于一個電能存儲裝置,因此表現(xiàn)類似一個電力電容器。如果電流變化,則電荷的存儲和消耗需要一段時間,若電流突然變化,由于內(nèi)部阻力原因工作電壓立即變化,動作比較緩慢,最終趨于一個平衡值【】。將模型按經(jīng)驗描述為一個含有雙電荷電層電容