（光学工程专业论文）燃料电池发动机温度控制的建模与分析.pdf

摘要 摘要 以质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 作为动力的汽车若想全面取代传统汽车， 那么其不仅要在环保和能源上独树一帜，而且在性能和可靠性上也要能与传统 汽车匹敌。燃料电池发动机( f c e ) 作为燃料电池汽车的核心动力，从其工作方 式和控制方法上看，要达到传统汽车的性能和可靠性要求并不是一件难事。重 要的是必须要有一个合适的开发平台和在此基础上各种智能控制方法的积累， 为今后燃料电池汽车的进一步发展奠定坚实的基础。 在当前的研究条件下，要建立一个以燃料电池发动机硬件为基础的开发平 台尚有很大的难度，还需要做不少的准备工作。同时目前关于p e m f c 的数学模 型大多数是稳态的，没有考虑到时间和工作条件变化的影响。这些模型往往侧 重于单电池或电堆的工作机理，对电堆参数的准确性要求甚高，同时过于烦杂， 并不适合对f c e 温度控制的研究。本文结合同济大学承担的燃料电池轿车和上海 神力科技承担的燃料电池发动机项目，绕开f c e 系统的内部复杂性，将神经网络 辨识方法应用到f c e 非线性系统的温度控制建模，建立一个以软件仿真为基础的 开发平台，并用仿真结果证实了分析和建模的合理性。 燃料电池发动机高效可靠运行的决定因素，除燃料电池本身的制造工艺以 外，控制系统也是极其重要的因素。控制系统将根据负载对功率的要求，随时 调节反应气体的流量、压力达到最适当的数值，以保证电化学反应有效地进行 和反应产物水适时的排出。通常情况下，无论是在高温环境还是低温环境，电 池运行压力的提高都有利于燃料电池性能的提高。特别是燃料电池发动机在冷 启动时，有效的温度控制策略不仅直接影响着燃料电池的温度变化，而且其温 度控制的水平也间接影响着燃料电池的输出功率。 本文正是在这个背景下，提出应用蚂蚁算法解决f c e 的智能控制问题。在 寻求尽快稳定达到f c e 的正常工作温度范围的基础上还要考虑提高f c e 的性 能，特别是改善其在升温过程中的输出功率。本文研究的是在有约束条件下升 高f c e 工作温度的算法，这种算法的基本思想是将提高f c e 的性能加入到算法 中，同时确定其风机增压路径。在此算法的基础上，形成了蚂蚁算法智能控制 器，采用该控制器进行了动态仿真测试。仿真测试结果表明，与常规控制方法 相比，f c e 冷启动的时间明显缩短，输出功率也有了一定的改善，显示出了较 摘要 大的优越性。 关键词：仿真模型神经网络蚂蚁算法智能控制冷启动 i i a b s t r a c t i ft h ea u t o m o b i l ed r i v i n gb yp e m f c ( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) i s e x p e c t e dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a la u t oc o m p l e t e l y , i tc a n to n l yd e p e n do ne n e r g y , b u ta l s os h o u l de q u a lt ot h et r a d i t i o n a la u t oo np e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y a st h e c o r ep o w e r , a c c o r d i n gt of c e ( f u e lc e l le n g i n ) sw o r k i n gm o d ea n dc o n t r o l l i n g m e t h o d ，i t sn o td i f f i c u l tt or e a c ht h et r a d i t i o n a la u t or e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y h o w e v e r t h em o s ti m p o r t a n ti st ob u i l daa p p r o p r i a t ed e v e l o p m e n t f l a ta n d a c c u m u l a t ev a r i o u si n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n gm e t h o d so nt h eb a s eo ft h ef l a t ，w h i c hc a n e s t a b l i s has t a b i l i t yf o u n d a t i o ni no r d e rt od e v e l o pt h ep e m f ca u t of o rt h ef u t u r e n o w a d a y si t sv e r yd i f f i c u l tt ob u i l dah a r d w a r ed e v e l o p m e n tf l a tf o rf c e ，a n d m o s to ft h em a t hm o d e la b o u tp e m f ci ss t e a d y , w h i c hn o ti nv i e wo ft h et i m ea n d t h ec h a n g eo fw o r k i n gc o n d i t i o n s a l s ot h e s em a t hm o d e l sa r ev e r yc o m p l i c a t e da n d t h e i rr e q u i r e m e n t st ot h ep e m f c p a r a m e t e r sa r ev e r ya c c u r a t e ，s ot h e ya r en o ts u i t f o rt h es t u d yo ff c e st e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，a v o i d i n gt od i s c u s st h ei n n e r c o m p l i c a c yo ff c e ，am o d e lo ff c e i ss e tu p b yu s i n gn e u r a ln e t w o r k si d e n t i f i c a t i o n ， w h i c hb u i l das o f t w a r ed e v e l o p m e n tf l a t a n dt h r o u g ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h e a n a l y s i sa n dm o d e la r er a t i o n a l b e s i d e st h em a n u f a c t u r i n gt e c h n i c so fp e m f c ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi sa l s o o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t sf o rw e l l b a l a n c e dr u n n i n go ff c e a c c o r d i n gt ot h e p o w e rr e q u i r e m e n to ff c e ，c o n t r o l l i n gs y s t e mn e e dt oa d j u s tt h eg a sf l u xa n d p r e s s u r ei nt i m ei no r d e rt ok e e pt h er e a c t i o nc a r r y i n gt h r o u g h g e n e r a l l yn o to n l yi n h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o nb u ta l s oi nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，i t si nf a v o ro f i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ff c eb yr a i s i n gt h ep r e s s u r eo fp e m f c e s p e c i a l l y w h e nt h ef c ei su n d e rt h ec o l ds t a r t ，e f f e c t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yw i l ln o t o n l ya f f e c tt h et e m p e r a t u r ec h a n g ed i r e c t l y , b u ta l s ow o r ko nt h ep o w e ro u t p u to f f c e i n d i r e c t l y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，i nt h ep a p e ran e wm e t h o df o rs o l v i n gt h ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo ff u e lc e l le n g i n ep r o b l e mw a sp r o p o s e db yu s i n gt h ei d e ao fa n ta l g o r i t h m l i l o p t i m i z a t i o n t h ep a p e ra i m e dt os h o r t e nt h et i m eo fw a r m i n gm a c h i n ea n di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ff c eu n d e rt h ec o l ds t a r t ，e s p e c i a l l yi t s p o w e ro u t p u t t h ep a p e r i s s t u d y i n g t h ea r i t h m e t i co fr a i s i n gt h ef c e st e m p e r a t u r et h a th a v er e s t r i c t c o n d i t i o n s t h eb a s i ci d e ao ft h ea r i t h m e t i ci st oa d dt h ei m p r o v i n gf c e s p e r f o r m a n c e ，a sw e l la s t of i xo nt h ei n c r e a s i n gp r e s s u r er o a d o nt h eb a s eo ft h e a r i t h m e t i c ，t h ea n ta l g o r i t h mi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sw o r k e do u ta n du s i n gt h i s i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rc o m p l e t e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t t h ef i e l dt e s tr e s u l t s s h o w e dt h a tt h et i m eo fc o l ds t a r ti ss h o r t e n e do b v i o u s l ya n dt h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d ，w h i c hs h o wt h ea d v a n t a g et h r o u g hc o m p a r i n gw i t hg e n e r a lc o n t r o l l i n g m e t h o d k e yw o r d s ：s i m u l a t i o nm o d e l ，n e u r a ln e t w o r k s ，a n ta l g o r i t h m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ， c o l ds t a r t i v 图目录 图目录 图2 - 1p e m f c 单体电池结构7 图2 2 电池温度对电池伏安特性曲线的影响9 图2 3 电池温度对电池功率的影响9 图2 4 反应气体压力对电池伏安特性曲线的影响1 0 图2 - 5 反应气体压力对电池功率的影响1 1 图2 - 6 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 传递区域示意图1 2 图2 7 用方程e = e o b j 0 9i r l - - m e x p ( n i ) 模拟的e - i 曲线1 6 图3 - 1 神经网络结构1 9 图3 2 燃料电池发动机系统描述示意图2 1 图3 - 3 燃料电池发动机模型结构示意图j 2 2 图3 4 冷却散热模块模型描述2 4 图3 5 电堆温度特性模块模型描述2 5 图3 _ 6 电堆输出功率模块模型描述2 6 图3 - 7 冷却散热模块辨识框图3 0 图3 8 模型网络误差学习曲线3 1 图3 - 9 模型网络误差学习曲线3 1 图3 1 0 电堆温度特性模块辨识框图3 2 图3 1 1 模型网络误差学习曲线3 3 图3 1 2 电堆输出功率模块辨识框图3 4 图3 1 3 模型网络误差学习曲线3 5 图3 1 4 模型网络误差学习曲线3 5 图3 1 5 冷却散热模块辨识结果3 6 图3 1 6 冷却散热模块辨识误差3 7 图3 1 7 电堆温度特性模块辨识结果- 3 8 图3 1 8 电堆温度特性模块辨识误差3 8 图3 1 9 电堆输出功率模块辨识结果。3 9 图3 2 0 电堆输出功率模块辨识误差3 9 图3 2 1 模型仿真测试流程图4 1 图3 2 2 电堆冷却水进口温度的时间曲线4 2 图3 2 3 电堆冷却水出口温度的时间曲线4 2 图3 2 4 电堆输出功率的时间曲线4 3 图目录 图4 1 蚂蚁从巢穴出发随机移动4 5 图4 2 从食物源至巢穴的信息激素轨迹4 5 图们到达食物源的最佳路线4 5 图钳沿障碍物的路线4 6 图钙蚂蚁遇到障碍物的情形4 7 图4 - 6 蚂蚁选择路径的过程4 7 图 蚂蚁算法系统结构框图5 8 图4 8 智能控制系统仿真测试流程图5 9 图4 9 蚂蚁算法智能控制的仿真测试温度曲线6 0 图4 1 0 常规控制的仿真测试温度曲线6 0 图4 - 1 1 蚂蚁算法智能控制的仿真测试功率曲线6 1 图4 - 1 2 常规控制的仿真测试功率曲线6 2 v 表目录 表目录 表3 1 冷却散热模块部分训练样本数据集3 0 表3 - 2 电堆温度特性模块部分训练样本数据集3 2 表3 3 电堆输出功率模块部分训练样本数据集3 4 v l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 燃料电池发动机及其温度控制问题 1 1 1 燃料电池发动机介绍 燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种将燃料的化学能直接转化为电能的设备。传统 的电池属于一次性发电设备，内部反应物反应完后就被废弃，而燃料电池的化 学反应物( 燃料和氧化剂) 由外部随时供给，可连续输出电能。目前，燃料电 池发电技术正受到许多国家的重视，在美国、日本、加拿大、德国等国家燃料 电池技术正迅速地发展起来，成套的燃料电池发电设备已进入了商业化的生产 阶段，各种等级的燃料电池电站相继建成。燃料电池在民用和国防的应用愈来 愈广泛。与传统的发电方式比较，燃料电池有非常多的优点： 由于燃料电池利用化学能转化为电能，不同于传统的机械能一电能转换方式， 因此燃料电池的发电不受热机的卡诺循环限制，能量转换效率高( 4 0 6 0 ) ； 洁净，无污染，噪音低，环境友好； 适应不同的功率要求，发电系统应用范围广； 建设周期短，易于维护。 燃料电池有多种类型，按使用的电解质不同来分类，主要有碱性燃料电池 ( a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 、磷酸 燃料电池( p ：a f c ) 及质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 等。在上述众多的燃料电 池类型中，p e m f c 是当今燃料电池研究的主流，p e m f c 除具有燃料电池的一 般特点之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命 长、比功率与比能量高等突出特点，特别适宜于用作可移动动力源，具有很强 的推广价值，有希望最快实现商业化i 。鉴于本文所研究的燃料电池发动机是以 p e m f c 作为动力，因此若非特别指明，本文中所出现的电堆、燃料电池均指 p e m f c 。 质子交换膜燃料电池以全氟磺酸固体聚合物为电解质，铂炭或铂钌炭为电 催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，工作温度在8 0 左右。 第1 章引言 一个p e m f c 燃料电池的电堆是由很多的单体燃料电池叠加在一起组成的。根据 有关资料，目前p e m f c 燃料电池输出功率密度可高达0 5 - - 2 w c m 2 ，电池组的 质量比功率和体积比功率分别达到7 0 0 w k g 和1 0 0 0 w l 1 1 1 2 j 。 燃料电池发动机则是根据车辆对动力的要求，对燃料电池配以h 2 供给系统、 空气供给系统、水热管理系统、控制系统以及通信系统等辅助设施所组成的 新型动力设备。为简便起见，本文中f c e ( f u e lc e l le n g i n e ) 即指燃料电池发动 机。目前由上海同济大学和上海神力科技承担的燃料电池发动机和燃料电池轿 车项目已经开发出了第三代燃料电池发动机，而且燃料电池混合动力轿车“超 越三号”也已实现了小批量生产，相关技术已达到国际先进水平。 1 1 2 燃料电池发动机的温度控制问题 电堆在工作过程中由于内部的电化学反应产生热量使电堆温度升高。电堆 温度直接影响着电堆的输出性能，电堆温度过高轻者使各单电池膜脱水，电堆 内部阻抗增加，降低电堆的输出功率。重者导致膜电极变形、开裂或粘着，造 成电堆的永久性损坏。温度过低又会影响电堆内部的电化学反应速度，同样不 能达到较好的输出特性。一般电堆输出性能较好的最佳温度范围为8 0 c 左右1 3 j 。 虽然近几年经过数次的改进，燃料电池发动机在冷启动时的启动时间较以 往已有了较大的缩短，但是仍然无法在短时间内达到正常的工作温度范围，这 其中仍然有一个升温的过程。因此，在这个过程中的温度控制策略应该与正常 情况下的控制策略是有所区别的，而且由于这个过程是不稳定的，燃料电池的 各项参数指标都未达到正常的标准，其中的不可控因素更多，一般的温度控制 策略往往难以达到复杂的要求，所以就需要采用智能控制。 1 2 智能控制理论及神经网络综述 现代控制理论从理论上解决了系统的可观、可控，稳定性等许多问题，但 仍存在许多问题，如对难以建立数学模型的对象很难实施有效的控制，不能适 合高层决策问题，造成这种结果的原因主要是： ( 1 ) 现代控制理论依赖理想化的数学模型； ( 2 ) 设计方法数学化，控制算法理想化； 2 第1 章引言 ( 3 ) 缺乏人类思维的智能化。 基于以上的原因，控制理论逐步走向智能化，由此逐步形成较为完善的智 能控制思想。 1 2 1 智能控制的基本概念 智能控制是控制理论发展的高级阶段。它主要用来解决那些用传统方法难 以解决的复杂系统的控制问题。其中包括复杂的工业过程控制系统，计算机集 成制造系统，航天航空控制系统，社会经济管理系统，环保及能源系统等。它 的研究对象具备以下一些特点。 1 不确定性的模型 传统的控制是基于模型的控制，对于传统控制通常认为已知或者通过辨 识可以得到，而智能控制的对象通常存在严重的不确定性，它包含两层意思： 一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和参数在大范围内变化。 2 高度的非线性 现阶段线性系统理论比较成熟，对于高度非线性的控制对象，虽然也形 成了一些理论的控制方法，但非线性控制理论还不成熟，而智能控制可以很 好的解决非线性系统的控制问题。 3 复杂的任务要求 传统控制系统一般分为定值调节系统和随动系统，任务比较单一，对于 智能控制来说，任务的要求非常复杂。如智能机器人，它要求系统具有自行规 划和决策的能力，有自动躲避障碍并运动到期望目标的能力。 智能控制的定义有很多，一个通俗的定义如下：在一个控制系统种，如 果控制器完成了分不清是机器还是人完成的任务，称这样的系统为智能控制 系统。智能控制的主要功能特点：学习功能，适应功能，组织功能。 8 0 年代后期，神经网络和进化计算的兴起，是现代控制论在深度和广度上 的开拓。智能控制具有如下特点： ( 1 ) 以专家或熟练操作人员的知识为基础进行推理，用启发式来引导问题 求解过程； ( 2 ) 对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划，采用符号信息 处理，启发式程序设计，知识表示和自学习，推理与决策等智能化技术， 3 第1 章引言 实现问题的综合性求解。 智能控制代表了自动控制的最新发展阶段，是应用计算机模拟人类智能， 实现人类脑力和体力劳动自动化的重要领域，越来越多的自动控制工作者认识 到，智能控制是自动控制发展道路上的又一次飞跃。 1 2 2 蚂蚁算法概要钔 蚂蚁算法是一种新型的进化算法，其思想来源于对昆虫王国中蚂蚁寻找食 物行为的研究，吸收了蚂蚁的行为特性。通过观察发现蚂蚁群体可以在没有任 何可见提示下寻找其巢穴到食物源的最短路径，并且可以随着环境的变化，适 应性地搜索新的最短路径，产生新的选择，而这只是通过蚂蚁个体之间的协作 来完成的。 在这些协作的蚂蚁个体之间采用的通信方式是一种特有的称为信息激素 ( p h e r o m o n e ) 的挥发性的化学物质这种物质使得一定范围内的其它蚂蚁能够察 觉到并由此影响它们以后的行为，科学家们对此进行过试验：用人造的外激素 在纸上画上一条路径，对蚂蚁进行试验。结果蚂蚁果然都沿着画有外激素的路 径行走。觅食蚁在寻找食物的过程中在其走过的路径上留下信息激素，同时又 能检测到其他同伴释放的信息激素选择较强的一条路径从而决定行走的方向， 行走的同时又释放自身的信息激素，增强了该路线上的信息激素数量( 当然，随 时间的推移会同时逐渐减弱) 。后来蚂蚁选择该路径的概率也越高，从而更增加 了该路径的轨迹强度。随着越来越多的蚂蚁通过该路线，一条最佳路径就会形 成，甚至在该路线上放置障碍物之后，它们仍然能很快重新找到最佳路线。由 蚂蚁个体的特征可以看出，蚂蚁除了对信息激素有感知外几乎无法获知环境的 信息，因而当环境中不存在信息激素时，蚂蚁的行为是完全随机的。即是说， 蚂蚁在一个新的环境中的初始行走是完全随机的，而当蚂蚁走过一条路径时， 在上面留下的信息激素会吸引更多的蚂蚁来走这条路。蚂蚁根据信息激素的数 量多少选择路径，以较大的概率通过信息激素量较大的路径，同时又不断的积 累信息激素形成正反馈机制。 蚂蚁算法的一个主要出发点，正是模仿蚂蚁施放信息激素和蚂蚁之间进行 间接的通信与相互作用，以实现加速系统整体优化的正反馈作用。 4 第1 章引言 1 2 3 神经网络概况 神经网络，通常简写为n n ( n e u r a ln e t w o r k s ) ，是基于模仿生物大脑的结 构和功能而构成的一种信息处理系统，但这种模仿目前还处于极低的水平，为 了更确切起见，美国神经网络学家h e c h tn i e l s e n 给出了如下的定义：神经网络 是由多个非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统， 该系统是靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息的。神经网络与一般 的计算机完全不同，神经网络的操作不是串行的，也不是预先确定的，根本没 有确定的存储器，而是由许多互连的简单处理单元组成的。硬件实现的真正并 行处理的n n 还没有完全真正实用的产品，目前广泛应用的还是基于一般计算机 软件模拟实现。 n n 不同于一般的计算机和人工智能，具有学习性、自组织能力、推理能力 和可训练性。在各领域已有若干成功的商品化的应用，随着技术条件的成熟， n n 的应用前景十分乐观。 n n 具有以下几种特性： ( 1 ) 并行分布处理：高度的并行结构使n n 有较好的耐故障能力和总体 处理能力； ( 2 ) 非线性映射：n n 具有任意非线性映射能力； ( 3 ) 通过训练进行学习：一个经过适当训练的神经网络具有归纳全部数 据的能力。 1 3 本文的工作和意义 在尝试采用智能控制的探索阶段，如果在燃料电池发动机实体上进行试验 是非常危险的。因此，这就需要一个与燃料电池发动机性能匹配的仿真模型， 在此基础上就可以开展智能控制的初期研究。 本文的研究内容主要包括： 1 分析p e m f c 燃料电池的动态特性，其中包括p e m f c 的温度特性和伏 安特性，为建立燃料电池发动机的动态模型打下基础。 2 给出神经网络的基本理论分析及其在非线性系统辨识中的应用。在 对燃料电池发动机原型及其动态特性分析的基础上，提出其温度模型的 第1 章引言 结构及相关参数，通过神经网络对模型的离线仿真，进一步完善神经网 络训练中的各项参数，使模型在响应误差和收敛性上达到要求。再通过 对仿真模型的离线测试证实建模的合理性。 3 给出蚂蚁算法的基本理论分析，包括其原理和基本流程。在认识蚂 蚁算法基本理论的基础上，将蚂蚁算法应用于燃料电池发动机冷启动过 程中的智能控制。通过对智能控制系统的离线仿真测试逐步完善算法， 并由仿真测试结果来讨论蚂蚁算法在该问题上应用的优劣，作为燃料电 池发动机冷启动过程中智能控制的初期探索。 6 第2 章电堆的动态特性及p e i v i f c 模型概述 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 为了对f c e 进行控制，有必要对电堆的动态特性进行分析，这不仅有利于建 立动态模型，也可以为以后的控制系统方案的设计提供很好的参考作用。 2 1p e m f c t 作原理嘲 质子交换膜燃料电池与所有其它燃料电池一样，工作原理比较简单。它以氢 为燃料，氧作为氧化剂，把化学能有效地直接转交为电能，转变过程无污染、无噪 声。单体p e m f c 的结构示于图2 - 1 。 图2 - 1p e h f c 单体电池结构 膜电极组件( m e a ) 是单体电池的心脏，燃料电池反应便发生在此组件上。h e a 位于石墨极板之间，由固体电解质膜、催化剂电极和电极支撑体组成，其厚度 不到1 衄。电解质膜用热压法粘到电极上，制造膜的材料是过氟化磺酸( 如杜邦 公司生产的n a f i o n 系列材料) ，它必须在燃料电池工作期间保持充分水化状态， 以达到最大限度的质子传导率。当p e m f c 在2 5 和0 1 m p a 下工作时，由双极板向 m e a 供给纯氢或混有二氧化碳的氢气以及氧化剂( 如空气) ，反应物穿过多孔的碳 7 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 电极载体进入铂催化层，氢燃料在阳极上发生反应，生成电子和氢离子： h ：= 2 h + + 2e e 。= o 0 0 0 v ( 2 - 1 ) 氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极，并在阴极与电子和空气提供的氧 结合成水： 1 2 02 + 2 h + + 2e = h 2 0e 。= 1 2 2 9 v ( 2 2 ) 这样，氢和氧通过p e m f c 结合产生电力，并生成副产品水和热量： h 2 + 1 2 02 = h 2 0 e c e l l 。= 1 2 2 9 v ( 2 - 3 ) 所以，只要向燃料电池不断供给燃料和氧化剂，它就会不断地产生直流电。 双极板一般用纯石墨制成，它上面有一些机械力n - r _ 的沟槽，供氢气和空气进入， 也供排水用。目前，p e m f c 一般在8 0 - 9 0 下工作，产生的热量尚不能有效利 用。将若干个b l e a 串联起来可构成电池组，提供l - - 2 5 k w 动力，再把电池组串 联成电池堆，这样便可提供足够的动力，用于驱动小轿车、公共汽车。 2 2 电堆的温度特性 将电堆作为一个开口的能量系统进行处理：进入系统的能量是反应物和冷却 水具有的热力学能和化学能；离开系统的是电堆产生的电能、反应生成的水和 蒸汽带走的热量，以及未参与反应的物质和冷却水带走的热量；系统的能量增 量就是电堆热力学能的增加量。 系统内部的能量变化体现在化学反应过程中反应物和生成物之间的焓变，具 体表现就是燃料电池的伏安特性曲线。其中的化学反应为： h 2 + 0 2 。+ h 2 0 + e e + h e a t ( 2 4 ) 由上式可知，反应过程中生成水，同时释放出热能( h e a t ) 和电能( e e ) 。在2 5 分压为l a t m ，生成水为液态时，反应物的焓变h 为- 2 8 5 8 k j m o l ，反应热 t 木s 为- 4 8 ? k j m o l 。也就是每摩尔理想状态的氢气参与反应，产生4 8 7 k j 的 热能和2 3 7 1 k j 的电能。由于实际系统内阻存在，反应过程中产生的电能有一 部分转化为热能( 焦耳热) ，所以系统生成的热量就是化学反应的焓变减去有 效电能。而系统生成的热量在不断累积的过程中使电堆的温度不断的升高即所 谓的热量累积效应。 未参与反应的氢气经过氢气循环泵在电堆中循环，并且很少排放，可以作为 系统的一部分，因而可以忽略未参与反应的氢气以及其中水蒸气对系统的影响。 8 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 由以上的分析可以得出电堆系统的热量增加量即其温度特性与反应物( 氢气 和氧气) 的质量、冷却水的温度和流速以及电堆的热量累积效应有关。 2 3 电堆的伏安特性 2 3 1 电池温度对伏安特性的影响嗍 图2 2 、图2 3 显示了电池温度对伏安特性和电池功率的影响。实验当中燃 料电池内氢气与氧气的压力均为0 2 0 m p a 。 3 0 2 5 2 0 、 碍 驾1 5 1 o o 5 i 【 沈i i f 度l m a 讯。 图2 - 2 电池温度对电池伏安特性曲线的影响 02 0 0 4 0 ( 1 6 0 08 0 0l0 0 0 t u 漉辩度m a c m ： 图2 - 3 电池温度对电池功率的影响 9 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 从图2 2 可以看到，随着燃料电池工作温度的升高( 由3 0 8 到5 0 7 再升 至6 9 8 ) ，电压一电流密度曲线的线性区的斜率的绝对值是下降的，这主要是 由于电极电阻的下降导致燃料电池内阻的减小造成的。另外由图2 2 和图2 3 还 可以看到，在相同的电流密度下，随着燃料电池工作温度的升高，电池的输出 电压也随之提高，单电池最大的输出功率也有很大的增加。这不但是电极欧姆 电阻下降的结果，而且也是由于随着燃料电池工作温度的提高，可以加快反应 气体向催化层的扩散，加速质子从阳极向阴极的运动以及生成物水的排出，这些 都对燃料电池性能的提高起到了积极的作用。 2 3 2 电池压力对伏安特性的影响嗍 氢氧质子交换膜燃料电池的正常工作温度为7 0 - - 8 0 ，在这一温度范围内 的电池的压力特性已经有了很多的研究结果。然而，燃料电池汽车在刚启动时， 其电池温度不可能马上升高到其正常工作温度，因而有必要对燃料电池在较低 的温度下的压力特性进行研究。当电池温度保持在3 0 7 恒定，以测试在汽车 启动阶段，参与电化学反应的气体压力对燃料电池性能的影响。当中保持反应 气体氢气与氧气的压力始终相等。改变质子交换膜燃料电池内氢气和氧气的压 力，保持系统的其它参数不变进行测试。图2 4 和图2 5 显示了该实验的实验结 果。 、 皆 幽 i 乜漉密度，m c m t 图2 4 反应气体压力对电池伏安特性曲线的影响 1 0 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 谆 蚤 图2 5 反应气体压力对电池功率的影响 从图2 4 和图2 5 可以看到，在接近室温的电池工作温度下，随着质子交换 膜燃料电池内反应气体( 氢气和氧气) 压力的下降，相同的电流密度下，电池 的输出电压也随之下降。另外单电池最大输出功率也下降。这是由于随着反应 气体压力的降低，传质的推动力降低，氢气和氧气向它们各自的多孔电极催化 剂层的扩散减慢，电池性能也随之下降。可见在燃料电池电动汽车的启动阶段， 适当提高燃料的供给压力是提高其性能特别是改善其输出功率的一种可行方 案。 2 4p e m f c 模型的分类及特点d 1 p e m f c 模型包括机理模型和经验模型两种。机理模型一般建立在比较合理 的假设基础上，运用基本的传递方程和电化学反应方程，以描述电池内部各部 位的特征，模型需要多个方程的联立求解，其复杂程度随所考察的参量增加而 增加。经验模型相对比较简单，不必考虑电池内部的结构参数，只要依据表观 的伏一安曲线拟合出相应方程，便能够在一定程度上从理论上解释电池的性能， 但所得的参数仅针对某一特定的电池或电池组，不能描述单电池或电池组内的 传递过程。 2 4 1 机理模型 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 图2 6 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 传递区域示意图 1 阳极流场；2 阳极扩散层；3 阳极催化层；4 质子交换膜： 5 阴极催化层；6 阴极扩散层：7 阴极流场 p e m f c 电极为多孔气体扩散电极，以纯铂或碳载铂作电催化剂，典型的电 解质膜为全氟磺酸型固体聚合物，p e m f c 多孔气体扩散电极通过热压工艺压合 在质子膜的两侧，构成膜电极组件( m e a ) ，电极分为两层，紧靠膜两侧的是催化 层，外层是扩散层。在p e m f c 中，质量传递在以下七个区域中进行，分别为阳 极流场( 气室) 、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散 层、阴极流场。图2 - 6 为p e m f c 传递区域示意图。如图所示，在阳极，氢气扩散 进入阳极电催化反应区发生电化学反应生成氢离子和电子；在阴极，氧气扩散 进入阴极电催化反应区发生电化学反应生成水： h 2 2 h + + 2e ( 2 5 ) 1 2 02 + 2 h + + 2e h 2 0 ( 2 6 ) 对p e m f c 机理模型的研究，按侧重点之不同又可分为：质子交换膜水传递 模型、催化层数学模型、扩散层数学模型、气体支管与流场模型以及全面描述 p e m f c 的模型。 ( 1 ) p e m f c 质子交换膜水传递模型 质子交换膜是p e m f c 的核心部件之一，兼具电解质和隔膜的双重功能。在 电池操作过程中，质子膜内将发生h + 的传导和水的传递。如该膜为n a t i o n 膜， 则膜中水含量越高，离子传导能力越强。由于电迁移的作用，电池工作时膜中 1 2 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 阳极侧的水向阴极迁移，以致在大电流密度下阳极侧水含量必将减少，膜电阻 增加。从目前文献所报道的膜中水传递模型主要有：扩散模型、对流传递模型 和统计力学模型。 ( 2 ) p e m f c 催化层数学模型 p e m f c 催化层一般由p j c 催化剂、聚四氟乙烯( 册) 和导质子的高分 子聚合物( 如n a f i o n ) 组成，电极催化层是p e m f c 中最关键的部件。p e m f c 催化层数学模型可分为两类，一是微观模型，考虑微孔内的传递现象；另一为 宏观模型，将催化层看成是一个整体。 ( 3 ) p e m f c 扩散层数学模型 扩散层的结构和性质影响着p e m f c 性能，p e m f c 中的扩散层一般有比较 大的孔隙率和一定的憎水性以传递反应气或水，由于阳极扩散层中质量传递过 程比较简单，扩散层的模型研究主要是在阴极。电极扩散层的质量传递过程与 流场的结构有关，y i 假定了电极扩散层是均相的，并认为质量的传递方式是强制 对流，由此而建立的数学模型能够描述在具有交指状流场的电极扩散层中的质 量传递现象，缺点是假定水仅以蒸汽的形式存在。由于反应气中存在着液相水 致使多孔阴极中的质量传递变得非常复杂，许多研究者对这一过程进行了简化。 n g u y e n 假定阴极产生的液态水以小液滴的形式存在并忽略了水的体积，认为水 在扩散层中的传递方式是扩散。s p r i n g e r 认为液态水改变了氧气传递的有效扩散 系数。b e m a r d i 认为扩散层中气相孔道和液相孔道是分开的，液体和气体相互没 有影响。w a n g 认为在扩散层气、液两相区，水的传递方式是毛细力的作用。 ( 4 ) p e m f c 气体支管与流场模型 t h i m m a l a i 建立了结合单电池模型、流场模型和气体分配管道模型的p e m f c 模型，该模型应用了三维n a v i e r - s t o c k s 方程描述分配管道中的流体，其边界条 件由相对复杂的电池组的几何形状与单电池的电化学反应确定，采用简单的层 流流动描述流场中的流动，给出了反应气的消耗量、气体流速对压力降的影响， 但求解过程忽略了电池组内的温度分布。 ( 5 ) 全面描述p e m f c 的模型 为了模拟p e m f c 的电流密度一电压关系以及电池内部的传递、反应现象， 研究者提出了许多不同的全面描述p e m f c 的数学模型，依空间维数的不同有一 维模型、二维模型、三维模型，通过解析求解或数值求解，与实验结果相对比， 用来优化p e m f c 的设计工作。 1 3 第2 章电堆的动态特性及p e m f c 模型概述 1