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a b s t r a c t 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 ( p e m f c ) h a sm a ym e r i t ss u c ha sw o r k i n gi n l o wt e m p e r a t u r e ,b e i n gc o n v e n i e n tt om a i n t a i n ,l o w n o i s ew h e no p e r a t e da n da b l et o r e a li z en oe x h a u s t t h e s ea d v a n t a g e sm a k ei tn o w a d a y st h em o s tw i d e l ys t u d i e da n d f a s t e s td e v e l o p e di nf u e lc e l lr e s e a r c h i no r d e rt op r o v i d ef u n d a m e n t a la n d r e a s o n a b l ep r i n c i p l ef o rd e s i g n i n g ,o p t i m i z i n ga n dc o n t r o l l i n gf u e lc e l l ,m o d e l i n g a n ds i m u l a t i n gp e m f ch a v eb ec o n d u c t e db ys i m u l a t i n g ,a n dt h e np f m f c s y s t e m ( i n c l u d i n ge l e c t r i cp o w e re l e c t r o nc o n v e r t e ra n di t sc o n t r o ls y s t e m ) h a sb e e n r e s o l v e di nm o d e la n ds i m u l a t i o na n da n a l y s i so fp e r f o r m a n c e t h i sp a p e r ,i nt h ev i e wo fs y s t e m ,l a y i n gt h ef o u n d a t i o no nt h ea n a l y s i so f f u n c ti o na n dc h a r a c t e r is ti co fe v e r yp a r to fp e m f ca n db o o s tc o n v e r t e r ,s u r v e y st h e p e m f ca n db o o s tc o n v e r t e ra saw h o l e i tp u t st h ee m p h a s i so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ei n p u ta sp r e s s u r e ,t e m p e r a t u r e ,e t c ,o u t p u to fp h y s i c a lv a r i a b l e sa n di n f l u e n c e f a c t o rt ot h eb o o s tc o n v e r t e rm o d e l i ns i m u l a t i o n ,t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h em o s t p o p u l a rs c i e n t i f i cs o f t w a r e ,m a t l a b ,a n dd e v e l o p st h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i n g s y s t e mw i t ht h es i m u l i n ki n i t t h i sp a p e rf i r s t l yg i v e sab r i e fo v e r v i e wo ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ef u e l c e l l ,f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fe a c hi m p o r t a n te l e m e n t ,a n db a s e do ni t ,a g e n e r a li n t r o d u c t i o nt om a t h e m a t i c a lm o d e ls t u d yo fp e m f c a n dt h e nt a k i n gt h ew h o l e f u e lc e l1u n i ta sas u b j e c t ,b u il d su pt h ep e m f cu n i te m p i r i c a lm o d e l ,c o m b i n i n g c e r t a i nt h e r m o d y n a m i ct h e o r ya sm a s st r a n s f e r ,d i a t h e r m a n c y ,e t c i na d d i t i o n ,t h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa r ed e f i n e da c c o r d i n gt ot h ek n o w nd a t a a c t u a l l y ,t h i sp a p e rm a k e st h eb a s eo nt h ea m p h l e t tm o d e lo fp e m f c ,a n dt h e n m a k e st h es i m u l a t i n gm o d e ls e tu po nt h ef o u n d a t i o no ft h ee m p i r i c a lm o d e l m e n t i o n e d a b o v eb yu s i n gt h es i m u l i n ks o f t w a r ep a c k a g ei nm a t l a ba n ds i m u l a t i n gi sc o n d u c t e d i np e m f c t h er e s u l tc o m p a r e dw e l lw i t ht h ep u b l i s h e do n e d u r i n gt h es t u d yo fp e m f c , t h isp a p e ra l s ol a y ss p e c i a le m p h s i st oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fp e m f cw o r k i n g t e m p e r a t u r e ,i n p u tr e a c t i o ng a sf r o ma n o d ea n dc a t h o do nc h a r a c t e r is t i co fp e m f c , a n dw em a k es o m en e c e s s a r ya n de a r l ys t u d yc o m b i n i n gw i t ht h eb o o s tc o n v e r t e r ,w h i c h m a k e st h ed i r c e t i o ni nt h es t u d yo ft h ec o r r e c tw o r kb e t w e e np e m f ca n db o o s t c 0 n v e c t e r i nt h i ss t u d y ,w i t ht h en e c e s s a r yt oe a s i l ym a n i p u l a t e ,m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e i sa l s oc o m p i l e dw i t hs o f t w a r eo fg u iu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fm a t l a b k e yw o r d p e m f c ;b o o s t ;m o d e i ;s i m u ii n k ;g u z h a n gz hi m in g ( p o w e re l e c t r o n i c s p o w e rd r i v e 、 d i r e c t e db yp r o ft a n gt i a n h a o 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或其 他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和 所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 日期尹髫罗h 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以 上网公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或者其它复 制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名:季幽师签名:举期: 上海海事大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 能源和环境是人类社会赖以生存利发展的物质基础,开发能源和保护环境已经成为当前 人类社会发展所面临的最重要课题。而燃料电池技术的兴起为我们的能源发展提供了一个重 要的途径,它重新被j “人的科技i = 作者所看好,成为一种取代石油、煤、天然气等有限能源 的最佳的替代品。从技术的角度来看,燃料电池( f c ) 是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学 能通过电化学反应直接转换成电能的装置。它的最人特点能量转换效率高,整个反应过程不 涉及剑燃烧,其发电效率高达4 0 - - 6 0 ;其次,由丁它的过程产生的是无污染的水,对环 境友好,因此受到能源界的“器重”。同时它还具有燃料多样化、噪音低、可靠性及维修性 好等优点,冈而在环境问题日趋恶化的现代l :业革命中倍受世人瞩目,是二十一世纪能源、 环境领域的关键技术。 综上所述,燃料电池技术已经成为人类摆脱彳i 油、煤炭、天然气等燃料的直接依赖,并 已经成为关乎民生的重要的战略技术,能否科学运删燃料电池技术已经成为衡量一个国家科 技水平的重要指标之一。随着燃料电池技术优越性的进一步体现,各国政府和商家纷纷投以 巨资,进一步开发研制燃料电池技术,尤其是适合丁1 屯川的燃料电池技术。从发展的角度来 看,燃料电池技术的发展速度比人们预先估计的要快得多,预计在1 0 1 5 年后将成为人类 能源的主要供应者,以此为能源供给的家用燃料电池系统止快步走向实用化,这对丁我国而 言,却还是项空白,因此能否尽快地投入到家川燃料电池系统的研究已经成为当务之急。为 此,为了给设计、优化和i 应用p e m f c 提供基本的科学依据,本课题对燃料电池系统进行了数 学建模和仿真研究,并以系统仿真为主要研究手段,着重解决燃料电池系统( 包括电力电子 变换器及其控制系统) 的建模、仿真和性能分析。 整个课题立足于上海海事大学燃料电池实验室现有的科技条件来开展一i :作,尽管存在不 少凼难,但我们仍然能够在现有的技术上,尤其是在成功研制了“大翔1 号”燃料电池电力 推进船项目的基础上,借鉴现有技术和成功之处,为本课题的研究提供必要方向指导,并采 用s i m u l i n k 组件建立了p e m f c 的仿真模型,对p e m f c 进行了仿真,结果与现有的数据符合, 从而说明仿真的客观性,这为以后推进家用燃料电池系统的研究提供了必要的科学依据,冈 而具有重要的研究价值。 1 2 国内外研究现状及应用前景 上海海事大学硕士论文 应该说,燃料电池的原米甲在白年前就已经发现并加以应川。1 8 3 9 年,威廉姆格罗 大就试验成功了简单的燃料电池。然而由丁技术上存在巨人的障碍,使得其推j 、受到了限制; 同时由丁1 :业革命的发展,尤其是内燃机车的出现,使得燃料电池这一人类最友好的能源技 术的发展一直处丁停滞状态。直到二十世纪六十年代,随着美苏军事竞赛的加剧,空间技术 进一步发展的需要,燃料电池才开始重新崭露头角。美国通川电气公司( g e ) 是选择质子交换 膜燃料电池( p e m f c ) 的研究,其成果直接就是为当时关国的g e m i n i 航天飞机研发配备了 l k w 的p e m f c ,作为主要的辅助电源,同时其反应生成的沽净水可供宁航员饮用。但是整体 的使,l j 效果不甚理想,主要存在的问题是:电功率密度低,质子交换膜的稳定性差,催化剂 ( p t ) j l j 量太人而导致造价昂贵等。因而,n a s a 改川碱性燃料电池,这使得p e m f c 的发展再 度被“搁浅”。到了六十年代中期,美国杜邦公司研制出性能优异的全氟磺酸膜( n a f i o n ) 系列产品。本文所研究的燃料电池就是采用这个系列的产:品。由r 通t h j 电气公司又在制作i : 艺上作了一些改进,使得p e m f c 的性能得到很大提高,这在一定程度上促进了p e m f c 的发展, 但是仍i 同没有彻底解决上述的问题,所以p e m f c 的发展一直处丁实验室研究阶段;到了八十 年代,随着美苏军备竞赛的进一步加剧,p e m f c 相继在航空航大、潜艇的领域获得发展和应 删;臼九十年代,环境问题引起全球性的普遍关注,尤其是污染问题,已经成为影响人类生 存的主要矛盾,这对丁选用新的无污染的替代产品而言是个利女,的消息。丁| 是人们开始将目 光转向燃料电池,这为p e m f c 的民用化发展提供了一个良女r 的契机,并引起了掀起了p e m f c 的研究热潮,极人地推动了p e m f c 的发展。 当前,在p e m f c 领域,加拿人的巴拉德动力系统公司( b a l l a r dp o w e rs y s t e m ) 是该领 域的权威。1 9 8 9 年,该公司从美国国防部购买了燃料电池技术,其后在加拿人政府的人力 支持卜i 一直致力于p e m f c 的研究。1 9 9 4 年以来,b a l l a r d 公司先后与奔驰、人众、通刖、福 特、本田等国际知名的汽车公司合作,开发出多种燃料电池动力汽车。同时,它还与美国、 法国的人型供电公司合作,研发生产燃料电池发电站,也就是我们提及的家庭供电,备用电 源,不问断电源,是组建分布式供电系统的理想的单元。 我国p e m f c 的研究从六十年代也己经开始,但基本上都只是人连化学物理研究所等少数 儿家科研机构从事基础性研究,直到九十年代才逐渐升温。随着能源竞争及能源需求的进一 步加剧,p e m f cj 阔的应川和替代前景很快就引起国家科技界的普遍重视,尤其是我国将 p e m f c 和电动车的研究列入了“九五”国家科技攻关计划,后米义被列为“十五”和“8 6 3 ” 重人科技攻关项,这对我国发展p e m f c 技术而言是个利好消息。 目前,p e m f c 在我国的研发正进入新的高潮,越米越多的科研机构利人学从不同的方面 2 上海海事大学硕士论文 进行研究,还出现了专门从事p e m f c 电动车研发的公司,比如:上海神力科技有限公司, 这些积极的冈素使得我国的p e m f c 电动车技术与世界先进水平止在接近,某些关键技术已经 达到国际领先水平,这对我们研究p e m f c 技术,尤其是适合丁kj h j 的p e m f c 技术而言,无疑 都成为有利的冈素。 1 3本文研究的主要内容 本课题设计得到上海市教委重点学科( 2 0 0 1 7 1 号) 的资助,主要研究目的是对p e m f c 进行了数学建模和仿真研究,并以系统仿真为主要研究手段,着重解决燃料电池系统( 包括 电力电子变换器及其控制系统) 的建模、仿真和性能分析,其创新点就是将在该领域首次将 p e m f c 与b o o s t 变换器进行综合研究,为这方面的进一步发展提供了发展依据和基础,为更 好地实现p e m f c 的l 屯川化提供了理论基础。基丁此,在本课题中,我们重点做的工作:一是 建立了p e m f c 的模型、仿真和对应分析;二是建立了b o o s t 变换器的模型、仿真和对应分析; 三是在这个基础上结合电压反馈控制,并应用于p e m f c 系统,并提出了存在的问题及相关的 思路,做了一个开创性i :作,为以后更进一步发展p e m f c 系统的控制提供了一个基础;四是 将p e m f c 进行了g u z 界面设计,方便我们更直观地研究p e m f c 的系统仿真。所以本文的研究 内容分为如卜i 五章: 第一章:简单地叙述了本课题的研究价值,同时点明了p e m f c 系统的研究现状及广阔的发展 前景,为进一步做系统仿真做了必要铺垫。 第二章:本章系统化地概述了p e m f c 及相关理论,并结合d c - d c 变换器的基本知识进行整体 归纳与把握,为第二章的数学建模提供必要的依据。 第三章:根据前面儿个章节的科学论述,建立一个p e m f c 和b o o s t 变换器的数学模型,为 p e m f c 仿真系统的建立提供了理论依据。 第四章:对p e m f c 系统模型进行s i m u li n k 仿真,结合b o o s t 变换器,系统化地研究p e m f c 系统的仿真过程,设计出实用的p e m f c 仿真系统及其对应的g u i 运行界面,以方便地了解仿 真过程及分析。 3 上海海事大学硕士论文 第二章p e m f c 的系统概述 2 1p e m f c 的工作原理及其应用特点 从1 :作原理图可以看到,燃料电池是以氢气和氧气( 或空气) 为原料,产生电能、热能雨 图2 1p e m f c 系统组成框 水的电源装置。它不经过燃烧过程而是直接以电化学反应的方式连续地把燃料雨1 氧化剂中的 化学能转化成电能,是继水力、火力和核能发电之后的新一代发电技术,由于它产生的是水 等无污染物质,冈此成为当前首要考虑的核心技术之一。从控制理论的角度看,系统的输入 端为化学反应气体,输山ii 刈1 lr 。l 是电能和热能。整个系统的核心就是燃料电池【:作组。由丁i 单个 p e m f c 的输出电压只有0 5 - 0 9 v ,冈此在实际应用中总是将若干单池串联组合剑一起,形 成电池组来提供所需要的电压和电流。基于课题研究需要,本文是以p e m f c 单电池为研究对 象的。 p e m f c 的电化学反应示意图如图2 2 所示【。在电池的阳极一侧将燃料加压输入。本文 中的所指的燃料是纯氢气,也可以使用含有其他成分的气体( 此时要确定混合物中氢气的浓 度) 。燃料通过电极扩散,在催化剂层变成质子和电子( 如下反应式) : h 一2 h + + 2 e 一 ( 2 1 ) 质子通过电解液( i 州体薄膜) 传输到阴极。在电池的阴极一侧,氧化剂输入到极极的通道 中,通过电极扩散,到达催化剂层。本文中刚的氧化剂是空气或氧气。氧气与质子和电子 反应,产生水,热能和电能。阴极上发生的电化学反应为: 2 h + + 2 e 一+ 委d :呻h :o4 -热能-i-电能(2-2) 4 图 网 上海海事大学硕士论文 图22p e 、, t f c 的电化学反应不意图 台并电化学反应方程式,则整个燃料i b 池的反席为: 1 h 2 + _ = 10 2 呻h 2 0 + 热能+ 电能 ( 2 3 ) 二 2 2p e m f o 的核心组成部件及其管理单元 2 2 1 电极 p e i , i f c 的电极均为气体扩散电极,它全少由两层组成,如图2 - 3 所示i “。一层为起支撑 作用的扩散层( 如f 向色层) ,另一层为电化学反席进行的场所一催化层( 如下颜色层) 。 2 2 1 1 扩散层 图23 电极结构示意图 扩散层首先起着支撑催化层的作删,为此要求扩散层适于捐载摧化层,扩散层与催化层 的接触电阻小。催化层的主要成分为p t c 电催化剂,故扩散层一般选川碳材料制备。在i b 池组装时,扩散层与烈极板流场接触,依据流场结构的不同,对扩散层的强度要求存在一定 差异。比如,采用蛇形流场对扩散层强度要求高于采用多孔体雨1 网状流场。第二,由丁反麻 气须经扩散层才能达到催化层参与化学反应,冈此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布, 这样有利丁_ 传质。第二,阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电流,阴极扩散层为氧的 电化学还原反应输送电子,这就要求扩散层府是电的良导体。极化土要在氧阴极,冈此扩敞 上海海事大学硕士论文 层尤其是氧阴极的扩散层应是热的良导体。第无,扩散层材料与结构应能在p e m f c 的工作条 件f 保持稳定,即在氧化和还原气氛下,在一定的电极电位卜,不产生腐蚀与降解。 2 2 1 2 催化层 p e m f c 的催化层是聚合物、碳和铂的多孔渗水性的混合物。它是电化学反应进行的场所, 冈而它的特性对p e m f c 的性能有重火影响。依据催化层的制备i :艺和厚度,一般将p e m f c 按电极分为常规厚层憎水电极、薄层亲水电极和超薄催化层电极二种类型。 2 2 2 质子交换膜 2 2 2 1 质子交换膜的性能要求 质子交换膜是p e m f c 的核心,它与一般的化学电源中使川的隔膜不同。它不仅是一种隔 膜材料,它还是电解质和电极活性物质的基底:另外,p e m ( p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n e ) 是一 种选择性的透过膜。因此,用于p e m f c 的质子交换膜必须满足卜述条件: ( 1 ) 水分子在膜中的电渗透作用小,具有高的传导能力,防【 = 膜中的浓度梯度过大, 一般电导率要达到0 1s c m 的数量级; ( 2 ) 膜的水合、脱水可逆性好,不易膨胀,否! j ! | j 将导致电极的变形引起薄膜局部压力增 人: ( 3 ) 在p e m f c 的运行条件( 即在电池一r :作温度、氧化与还原气氛和电极的工作电位) 下, 膜结构与树脂组成保持不变,具有良好的化学与电化学稳定性; ( 4 ) 不论膜在干态或湿态( 饱吸水) 均应具有低的反应气体( 如氢气、氧气) 渗透系数,保 证电池具有高的法拉第效率,以免它们在电极表面发生反应,造成电池局部过热,影响电池 的效率; ( 5 ) 在膜树脂分解之前的某一温度( 如玻璃化温度或接近玻璃化温度) ,膜表面具有一定 的薪弹性,以便在制备膜电极“三合一”组件时电催化剂层与膜的结合,减少接触电阻; ( 6 ) 不论在干态或是湿态,膜均具有一定的机械强度,适于膜电极“二合一”组件的组 装 1 9 6 2 年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜,1 9 6 4 年开始用丁氯碱一业,1 9 6 6 年开始用于燃料电池,从而为研制长= 寿命、高功率密度p e m f c 奠定了坚实的物质基础。至今 各国试制p e m f c 电池组用的质子交换膜仍以杜邦公司生产、销售的全氟磺酸型质子交换膜为 主,其商业型号为n a f i o n 。 2 2 2 2 质子交换膜的物理特征 6 上海海事大学硕士论文 ( 1 ) 膜的厚度和单位面积质鼙 型号 标准厚度微米单位面积质量g c m n f 一1 1 2 0 0 5 11 0 n f 一1 1 3 5 0 0 8 9 1 9 n f 一1 1 50 1 2 72 5 n f 一1 1 70 1 7 83 6 表2 1 不同型号n a f i o n 膜的厚度和单位面积质量 研究表明,减少膜的厚度可以提高电导率,但厚度太薄可能会冈氢气的渗漏引起电压卜 降,甚至强度下降,导致膜的破坏。毛宗强等人对膜的抗拉强度研究表明,强度和厚度成正 比,同时和l :作环境有关。湿膜的强度大大低于干膜的强度,n f 一1 1 3 5 ,1 1 7 ,1 1 5 相近,都 比n f 一1 1 2 高山许多。但厚度超过l o o u 时变化不人。 ( 2 ) 膜的含水率、溶涨度 每克干膜所含水的克数,即膜的含水率。含水率不仅影响质子传导,而且影u 向氧气在膜 中的扩散。含水率高一扩散因子和渗透率增人一膜电阻卜降一强度卜降。膜的溶涨度是指离 子膜住给定的溶液浸泡后,离子膜面积和体积变化的百分比。显然,温度越高,溶涨度越人。 型号纵向增d h 横向增加厚度增加体积增加 n f 1 1 72 0 2 09 6 01 3 9 05 0 0 n f 一1 1 52 2 1 01 2 7 0 3 5 0 18 5 6 0 n f 一1 1 3 51 0 03 03 9 2 05 7 7 0 n f 1 1 21 5 0o2 3 04 4 9 0 表2 2n a f i o n 系列膜的含水率分析 项目 厚度d c m 长度1 c m 体积v l c m 3 ,:d z 2溶涨度( 【u 一1 ) o i v o ) 干膜 0 0 1 91 2 4 v o = 2 9 2 2 5 o c 0 0 2 01 3 1 5 v 1 = 3 4 6 1 8 4 1 0 0 0 c 0 2 1 51 3 3 0 v = 3 8 0 3 0 0 表2 3n a f i o n l l 7 在不同温度。卜的溶涨度 ( 3 ) 膜的导电性和膜的选择透过性 p e m f c 的电解质膜必须具有很好的导电性能和离子选择透过性能。l 乜解质膜的质子导电 7 上海海事大学硕士论文 性能是膜中含水鼙的一个函数。电解质膜的选择透过性是一个很重要的指标,它可以让质子 很顺利地通过而阻i 卜氧气分子的通过。这样,就可以将氧气雨i 氢气分隔开米,避免它们直接 接触发生燃烧,5 现危险。 ( 4 ) 膜的湿化 电解质膜要想保持较高的离子导电性能就必须保持膜处在良好的水合状态卜。目前,保 持薄膜处丁湿化状态的措施主要有两种:外加湿和白加湿。 2 2 2 3 膜电极 对于采f i _ f j 液体电解质的燃料电池( 如石棉模型碱性电池) ,其多孔电极与饱浸电解液的隔 膜在电池组装力的作川。卜,不但能形成良好的电接触,而且电解液靠毛细力能渗入多孔气体 扩散电极,在电极内可形成稳定的三相界面。而对p e m f c 米说由于膜为高分子聚合物,仅靠 电池的组装力,不但电极与质子交换膜之间的接触不好,而且质子导体也无法进入多孔气体 电极的内部。因此,为实现电极的立体化,必须向多孔气体扩散电极内部加入质子导体( 如 全氟磺酸树脂) 。同时,为改善电极与膜的接触,通常采用热压的方法,即在全氟磺酸树脂 玻璃化温度卜施加一定压力,将已加入全氟磺酸的氢电极( 阳极) 、隔膜( 全氟磺酸质子交换 膜) 和已加入全氟磺酸树脂的氧电极( 阴极) 压合在一起,形成电极一薄膜一电极“二合一” 组件,或称m e a l 2 1 2 2 3 双极板与流场 p e m f c 电池组一般按压滤机方式组装。因此要能够满足以下要求:为实现单池之间的电 的连接,必须由导电良好的材料构成:能够将燃料( 氢) 乘i 氧化剂( 氧) 通过由双极板、密封件 等构成的共用孔道,经各个单池的进气管导入电池,并由流场均匀分配到电极各处:冈为双 极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道,所以双极板必须是无孔的:构成双极板的材料必 须在p e n f c 运行条件卜( 一定的电极电位、氧化剂、还原剂等) 抗腐蚀,以达到电池组的寿命 要求,一般为儿干至儿万小时:冈为p e m f c 的电池组效率一般在5 c 左右,双极板材料必须 是热的良导体,以利丁电池组废热的排出:为降低成本,制备双极板的材料必须是易丁加i : 的。目前,制备p e m f c 双极极、泛采用的材料是彳彳墨和金属板。 流场的功能是引导反应气流动的方向,确保反应气均匀地分配到电极的各处,经电极扩 散层到达催化层参与化学反应。至今已经开发出点状、网状、多孔体、平行沟槽、蛇形和交 指状流场。 2 2 4p e m f c 的水管理 2 2 4 1 质子交换膜内的水传递 水在质子交换膜内的传递有二种方式。 8 上海海事大学硕士论文 ( 1 ) 电迁移:水分子与h + 一起,由膜的刚极侧向阴极侧迁移。电迁移的水量与电池t 作 电流密度雨i 质子的水合数有关。 ( 2 ) 浓著反扩散:因为p e m f c 为酸性燃料电池,水在阴极生成,因此阴极侧水的浓度高丁 阳极侧,在水浓差的推动下,水由膜的阴极侧向刚极侧反扩散。反扩散迁移的水量正比丁水 的浓度梯度和水在质子交换膜内的扩散系数。 ( 3 ) 压力迁移:在p e m f c 运行过程中,一般使氧化剂( 空气或氧气) 压力高于还原剂( 氢气) 的压力,在反应气压力梯度推动卜,水由膜的阴极侧向阳极侧产生宏观流动,即压力迁移。 压力迁移的水量正比于压力梯度和水在膜中的渗透系数,与水在膜中的黏度成正比。水在质 子交换膜内的迁移可用n e r s t p l a n k 公式定量表达 n w , m = n d f i dv g ,。一白,等即。 ( 2 叫 式中,嘞表示水的电迁移系数,吨为水在膜中的扩散系数,k p 为水在膜中的渗透系数, “为水在膜中的薪度,勺。为膜中水浓度,f 为电流密度,f 为法拉第常数,p 。为膜两侧 的压力。对丁p e m f c ,在阴极催化层内电化学反应生成水,由式( 2 4 ) 可知:阴极室的t 作 压力高于阳极室,有利于水从膜的阴极侧向阳极侧传递,因为受电池设计和m e a 机械强度的 制约,这种压力差不能过大:膜越薄越有利于水由膜的阴极侧向阳极侧反扩散,有利于州 电池反应生成的水润湿膜的罔l 极侧:当电池在低电流密度下j l :作时,由丁二膜内的迁移质子 少,随质子电迁移的水也少,有利丁膜内水浓度均匀分布。 2 2 4 2 膜的脱水和积水 水对电池性能的影响主要是影响膜的导日- | 生。膜的导h 生是膜水化程度和阴极积水 的强函数。因此,解决的阳极侧脱水问题和阴极侧积水问题对于提高电池性能是必须要做到 的。 ( 1 ) 膜的脱水 在电流密度较低的条件。卜,水的净流量不很大,膜的水化程度仍是较为不错的。但当电 流密度较高时,第一种传递方式的推动力就远大于后两种,致使水的净流量( 从阳极到阴极) 变得较大,膜出现脱水,从而导致膜的导h - i 生急剧下降,输出电压急剧降低。一般在反应 气入口处,由丁水的含量高,膜脱水不是很严重。但随着气体的深入,阳极燃料气中水分压 卜降,膜刚极侧脱水问题会变得越发严重,甚至“干死”。此外膜的脱水还会导致膜孔的塌 9 上海海事大学硕士论文 陷,进一步影响日+ 的传导。 ( 2 ) 膜的积水 膜阴极- - n 积水是由于阴极水的外扩敞量小丁膜中同| 极往阴极的水净流量,林而水在阴 极医积f 来。并且由_ 丁二电极中憎水性的粘结剂存在,致使水的外扩散更难,积水更严重。 阴极积水将导致0 z 难丁扩散到催化层,使电化学反席速率降低,膜的导h + 阻力增大, 电池输山功率r 降。 2 2 4 3 有效水管理的途径 水管理的目标是:如何利_ l j 井管理反应生成的水。b a l l a r d 公司对p e m f c 的水管理进行 了深入的研究,提山_ r 如下的管理途径: 1 ) m e a 和电池结构的优化设计: 2 ) 对p e m f c 运行参数,如反应气体湿度、压力,温度等进行综合控制: 3 ) 选择合适的质子交换膜和碳布。 ( 1 ) 反麻气的预增湿方法 图2 5 内增湿器结构( 单膜型) 一般均采用在电池组内增加一个增湿段的方法为反应气体增湿。增湿段结构与电池类 似,如图2 5 所示弘j 。由幽可知,这种增湿原理是水依靠浓差,由膜的水侧迁移剑气侧,再 汽化,提高反应气的相对湿度。从结构t :看分单模型与烈模型。为保护膜,一般在膜两侧均 加入亲水多孔支撑体,其厚度与电极扩散层相当。对舣膜型内增湿单元,两侧反应气虽盘,为 同一种反应气,这样有利于提高增湿段的安全性。 e 述方法己经获得成功,但它增加了电池组的质量与体积,并使电池组结构复杂化。为 此,人们义开发了更为简单实州的尾气循环增湿方法和巾空纤维型外增湿器 ( 2 ) 白增湿 不管采川何种反应气预增湿技术,均会导致l b 池系统的复杂化或增加电池绸的质量和体 o 上海海事大学硕士论文 积。闪此最理想的方法是利用电池反应的生成水利水在质子交换膜内的传递特性,实现膜的 白增湿,确保电池组稳定高效地运行。近年在这方面的l :作已取得了突破性进展,一是采,【;h 薄的质子交换膜,反应气逆流流动,实现电池稳定运行:二是利,l j 膜的微量反应气渗透特性, 使透过膜的氧在质子交换膜的氢侧与氢化学复合为水,为膜增湿,与此同时还能提高电池的 开路电压利减少氧电极的极化。 利州水的浓差扩散实现膜的白增湿。由于电化学反应的水在氧电极侧生成,所以膜阴极 侧水的浓度高丁阳极侧,由于浓差扩散作,l f = | ,水要由膜的阴极侧向f i l l 极侧反扩散。反扩散的 水的迁移量与膜的厚度成反比。因此采用薄的质子交换膜组装的燃料电池,易于实现由电池 反应生成的水增湿膜的阳极侧。 ( 3 ) 电池排水 p e m f c 工作温度一般低t - 1 0 0 0 c ,氧的电化学还原反应生成的水为液态水。生成的水可 以两种方式排出,一种为气态,若反应气的相对湿度小丁1 ,即反应气中水蒸气分压未达到 相应l 乜池l :作温度下水蒸气分压时,水可汽化,随电池排放的尾气离开电池:另一种方式为 液态排水,此时反应气的相对湿度已达到1 0 0 ,在电极催化层生成的液态水靠毛细力和压 筹推动,传递到扩散层气相侧,液态水滴由反应气吹扫出l 岜池。一般而言,两种排水方式均 存住,其比例与电池操作条件和氧化剂类型是空气还是纯氧、输入反应气的预增湿程度、反 应气的j :作压力、氧的利用率和电池j :作温度等有关。 1 ) 当以纯氧做氧化剂时,一般采用尾气回流方式实现反应器增湿,改进电池组各个单 仃电池间气体分配和提高氧的利用率,则电池进口反应气相对湿度在4 0 - 5 0 之间。此时尽 管电池山口可能有一定温升,电池反应生成水绝人部分以液态水排山。冈此为防止液态水覆 盖电催化层的活性位和阻滞电极扩散层内氧传质速度而增加浓差极化,应注意增加以纯氧为 氧化剂的电池氧电极催化层的憎水性,即应适当提高电极内p t f e 的含量和适宜的温度处理, 严防在扩散层内形成水膜,阻滞氧扩散传质,甚至导致电极水淹( f l o o d i n g ) 的出现。因绝大 部分水以液态排出,在流场设计时,应确保反应气在流场内流动的线速度,一般要达到j l 米 每秒的速度,以利于将液态水吹扫出电池。若反应气流速太低,流场内或各节单池出口处液 态水的累积会严重影响电池组内各节单池问的气体分配的均匀性,严重时电池组不能稳定运 行。 2 ) 当以空气为氧化剂时,由f 氧气传质更加困难,在选择电池运行条件时,戍尽可能 增加气态排水份额,这样做不但有利于减少扩散层内液态水量,有利丁氧传质,而且还可利 川水蒸发潜热,减小电池排热负荷。 上海海事大学硕士论文 2 2 5p e m f c 的热管理 p e m f c 电池组在高功率运行时,设计的能量转换效率在4 0 左右:在低功率运行时,能量 转换效率可达6 0 ,因此在p e m f cj :作时有4 0 一6 0 的废热必须排出,以维持电池组工作温 度恒定。当今对p e m f c 电池组j 泛采用的排热方法是冷却液循环排热,所州的冷却液是纯水 或水与乙二醇的混合液。对小功率的p e m f c 电池组,也可以采川空气冷却的方式。 采用冷却液循环排热,要在p e m f c 电池组内加置排热板。由于p e m f c 技术的进步,在其 工作电流密度已经达剑1a d c m 2 ,为了防止电池组内温度分布的不均匀,必须每。1 了单池加 装排热板。在排热扳内要设计冷却液流动通道,即流场。其作用是引导冷却剂流动途径,防 止冷却液流经冷却腔内形成死角,导致单池局部温度过高。 若采用水做冷却剂,则必须采用去离子水。否则一旦水受到污染,电导升高,则电池组 内冷却水流经共用管道要发生轻微的电解,产生氢氧混合气,影响电池安全运行:同时也将 产生一定的内漏电,降低电池组的能量转化效率。若采用水与乙二醇混合液作为冷却剂,则 冷却剂的电阻会增人,但其比热容会降低,因此循环量要增大。而且冷却液一口被金属离子 污染,其玄除的难度比纯水大得多。 对百瓦级的p e m f c 的电池组,可以采用空气冷却。此时为解决与电池组水管理的矛盾, 最好把作为氧化剂州的空气与用作冷却的空气分开,分别控制。 2 2 6p e m f 0 的电管理 p e m f c 适川丁低电压、人电流输出应川。其:1 - 作电流密度可达la d c m 2 :对同等功率输 出电池组,增人电极的工作面积,可以减少电池组单池的个数,有利于反应气在电池组内的 分配,改善单池电压分布的均匀性。 燃料电池内阻比较人,动态内阻一般为毫欧姆级。通常,一台燃料电池组在峰值功率输 出的_ 【:作电压仅为其“0 ”输出,即开路电压的1 2 左右。而且由丁氧的电化学还原反应的 交换电流密度低,在输出的化学极化控制区,随着工作电流的增加,电压的卜降幅度较大, 也就是说,在部分负荷i :作时,电池j :作电压也仅为电池开路时电压的2 3 3 4 。也由于燃 料电池内阻人,它对电机启动时功率脉冲适应能力差。 当以纯氢为燃料、空气为氧化剂时,电池系统或燃料电池发动机效率有两种测定和计算 方法。一是测定电池系统的净输出功率和电池组输出功率,同时,l j 氢质量流量计测定电池系 统的单位时间耗氢量,进而计算与之相应的氢的低热值( 生成气态水) 或高热值( 生成液态 水) ,分别除以电池系统净输出功率或电池组输出功率,即可获得电池组或电池系统的低热 1 2 上海海事大学硕士论文 值或高热值的能量转化效率。二是测定电池组的输出电压,并除以电池组的单节电池数,求 出电池组平均单池:作电压v ,同时测定电池系统的尾气的排氢量,得电池系统的氢的利川 率厶:,并定义电池系统的辅助系统效率为: 小 ( 2 - 5 ) w 。川为电池组输出功率:w 。为电池系统辅助系统( 如空压机、排热水泵以及控制系统) 的总耗 功,即内耗的总功率。这样一来,电池系统的低热值效率 为: = 罴饥, ( 2 _ 6 ) 高热值效率厶为: 厶= 羔饥, ( 2 - 7 ) 2 3d c - d c 变换器的建模方法及其理论概述 p e m f c 要稳定向外供电,则靠单一的燃料电池还是不够的,因为燃料电池的特征就是其 输出并非稳定,如果只靠单一的燃料电池米维持电路持续通电,则系统将是不稳定的,冈此 在实际情况卜是没办法实现的,| 天i 此我们要使得燃料电池能够稳定对外供电,还必须引入 d c d c 或d c a c 变换单元,这就使得我们在研究课题的过程中还必须更多地关注电力电子 技术,尤其是d c d c 变换技术,冈为它已经成为左右燃料电池民川化发展的核心技术。所以 在本课题研究中,我们将以b o o s t 变换器为重点,结合p e m f c 进行综合考虑,试图设计出符 合基本需求的燃料电池仿真系统。 应该说,d c d c 开关变换器的建模分析是研究开关电源的基础,而开关电源对丁p e m f c 实现民用化发展具有重要的价值,所以我们在p e m f c 的仿真研究过程中对b o o s t 变换器的分析 及仿真设计的实现具有重要意义。传统的理想模型和实际电路之间的偏差是开关变换器建模 不可忽视的问题。围绕这个问题,本文对b o o s t 变换器的建模分析进行了深入的研究,有助 于p e m f c 仿真系统的实现。 当前,d c - d c 开关变换器的建模和1 分析是研究d c d c 开关变换器的拓扑结构和控制方法 的基础。随着d c - d c 开关变换器技术的发展,其建模方法也经历了不断发展的过程。d c d c 开关变换器的建模方法一般可分为两人类:数值法和解析法。数值法是根据一定的算法进行 计算机运算处理而获得d c d c 开关变换器特性的数值解,故很难提供电路工作机理的信息, 所得的结果物理意义不共明确。数值法义可分为直接数值法和间接数值法。直接数值法是指 1 3 上海海事大学硕士论文 直接利川现有的通用电路分析软件( 女h s p i c e ) 对d c d c 开关变换器进行数值计算得到其解的 方法,采川这种方法不必重新建立电路模曩! ,只需对局部电路建立仿真模型或等效子电路即 可。间接数值法是指在数值计算前,需要对d c d c 开关变换器建立一个专川的、适用于数值 解的仿真模型,然后采用适当的数值算法求解,其优点是计算速度较快。 解析法是指用解析表达式来描述d c d c 开关变换器特性的建模方法,着眼丁:作机理的 分析,满足一定精度要求下要简单通川,能为设计提供较明了的依据。解析法分为离散解析 法和连续解析法。离散解析法是以某一变鼙在一个周期中的若干个特定的离散点上的值为求 解对象米建立其差分方程,求解这个差分方程或通过z 变换得到变量解析式。离散解析法精 确度高,但结果表达式复杂,因而难指导设计,离散模型的研究基本上陷下停滞阶段。 近年来,连续解析法得到了很人的发展,与离散解析法的发展缓慢形成了鲜明的对比。 连续解析法的本质是平均,故连续解析法义称平均法,平均的目的是把一个周期内有两个或 几个不同拓扑的电路,

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