（动力机械及工程专业论文）质子交换膜燃料电池建模与仿真研究.pdf

i l i i ii ii ii ii ii ii ii iilll 华南理工大学 y 1815 181 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：刘海燕办l 颛龟日期：2 0 0 6 年0 5 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华 南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论 文外) ；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 必保密，在 圣年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协 议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：刘海燕小l 渴笔 日期：2 0 0 6 年0 5 月2 0 日 导师签名： 简弃非两磊卯j 日期：2 0 0 6 年0 5 月2 o 日 摘要 摘要 质子交换膜燃料电池( p e mf u e1c e1 1s ) 以其高能量密度、工作温 度低、无污染排放、结构紧凑等优点被公认为发展前景最好的汽车动力 源之一。本文在国内外众多学者的研究基础上，以车用质子交换膜燃料 电池为研究对象，通过建立仿真模型进行工作参数优化，并通过建立特 定结构的燃料电池单体模型进行流体力学仿真，从而达到提高电池的工 作性能的目的。限于实验条件水平，本文主要采取计算机模拟仿真与著 作论文的实验数据相结合的方法进行研究。 本文根据质子交换膜燃料电池的电化学反应机理，利用m a t l a b 软件 建立电池的电化学模型和电堆模型，并以b a lla r d 公司的代表产品m a r kv 为例，分析了稳定运行下工作温度和工作压力对电池性能的影响。结果 表明，提高工作温度和工作压力有利于改善电池的性能。电池工作温度 每提高10 。c ，单体的功率将增加3 ，在高温阶段增幅略有下降。然而当 温度超过一定值时，质子交换膜的热稳定性和质子传导性能将会严重下 降，因而各种类型的质子交换膜有其最佳工作温度范围。另一方面，燃 料电池的工作压力受电堆密封要求、材料的强度及反应安全性所限，采 用n a f io n 系列交换膜的燃料电池，其工作压力不得超过1m p a 。 以此为基础，本文利用m a t l a b sim u l i n k 软件建立质子交换膜燃 料电池的瞬态响应模型，同样以m a r kv 为例探讨了突变负载时电堆功率 输出的瞬态响应特性。不考虑空气系统的动态响应时，影响p e m 燃料电 池发动机的动态响应时间的主要因素为扩散浓差极化，它限制了电流的 变化率。仿真结果表明，燃料电池本身的电化学反应的时间常数很小， m a r kv 从3 0 k w 突变至5 0 k w 时为12 2 m s ( 误差范围5 ) ，对燃料电池系统 动态响应时间没有很大的影响。相比之下，空气系统对燃料电池的动态 响应有较大的影响，须确保所匹配的空气压缩机的压力输出不均匀度小 于2 ，才能保证电堆参数稳定地输出。 质子交换膜燃料电池运行过程中，燃料的利用率很大程度上取决于 电池的流场结构，本文利用f 1u e n t 仿真软件，建立p e m 燃料电池的阳极 模型，通过改变蛇型单通气体流道的物理结构，分析燃料电池内部的流 场与传质情况。结果表明，蛇型单通流道的流场板具有良好的气体分布 与传质特点，有利于电流密度的均匀产生，较难发生浓度极化。燃料电 池阳极侧流场板，当沟槽宽度范围为1 14 1 4 m m ，沟槽深度范围为0 8 9 一1 4 m m ，沟槽脊部宽度范围为1 0 2 2 0 4 m m 时，燃料( 氢气) 具有高 华南理。i i 大学硕十学位论文 水平的消耗率( 大于8 0 ) 。 作为以质子交换膜燃料电池为动力源的汽车系统，本文的研究属于 最基础的工作，所建电化学模型、电堆模型、功率瞬态响应模型以及c f d 模型具有较强的可移植性和通用性，可进一步进行动力系统乃至汽车整 车的优化研究。 关键词：质子交换膜；工作参数；数值模拟；优化 r a b s t r a c t 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 e ( p e m ) f u e lc e l l si sr e g a r d e da so n eo ft h e i d e a lp o w e rs o u r c e so ff u t u r ev e h i c l e sa sar e s u l to fi t sh i g he n e r g yd e n s i t y ， l o ww o r kt e m p e r a t u r e ，z e r oe m i s s i o na n dc o m p a c tc o n f i g u r a t i o n b a s e do n r e s e a r c h e si na n da b r o a d ，a u t h o rs t u d i e dp e mf u e lc e l l sb ye s t a b l i s h i n g m o d e l sf o rw o r kp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n db yc o m p u t e rf l u i dd y n a m i c ( c f d ) a n a l y s i so ns p e c i f i cf u e lc e l lm o d e l t h es t u d ya i m sa ti m p r o v i n g w o r k p e r f o r m a n c e s o fp e mf u e l c e l l s o w i n g t on o n e s u p p o r t o f e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，am e t h o do fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d yi st a k e no ni n t h i sp a p e ra s s o c i a t e dw i t hd a t af r o mp u b l i s h e db o o k sa n dp a p e r s w i t hw o r k i n gp r i n c i p l eo fp e mf u e lc e l l s ，a ne l e c t r o c h e m i c a lm o d e lo f p e mf u e lc e l l sa n das t a c km o d e lu n d e rs t e a d yc o n d i t i o nw e r ee s t a b l i s h e d w i t hm a t l a bs o f t w a r e t a k i n gm a r kvf u e lc e l la sa ne x a m p l e ，w h i c hi sa t y p i c a lp r o d u c t f r o m b a l l a r d c o m p a n y( c a n a d a ) ，p e m f co u t p u t p e r f o r m a n c e si n f l u e n c e db yw o r k i n gp a r a m e t e r s ( e s p w o r k i n gp r e s s u r eo f r e a c t a n t sa n ds t a c kt e m p e r a t u r e ) w e r es i m u l a t e du s i n gm a t l a bs o f t w a r e i ti sc o n c l u d e dt h a tp e mf u e l c e l l s p e r f o r m a n c e sc a nb ee v i d e n t l y i m p r o v e db yi n c r e a s i n gw o r kt e m p e r a t u r ea n d w o r kp r e s s u r e f u e lc e l l p o w e ri n c r e a s e s3 w i t he v e r y1o ki n t e r v a lo ft e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，w h i l e t h ea m p l i t u d ed e s c e n d ss l i g h t l yu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n o nt h e o t h e rh a n d ，p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e sh a v et h e i ro w no p t i m u mr a n g eo f w o r kt e m p e r a t u r e t h i si sb e c a u s et h eh e a ts t a b i l i t yo fp e ma n dp r o t o n c o n d u c t i b i l i t yw i l ld e s c e n db a d l yw h e nt h et e m p e r a t u r ee x c e e d sas p e c i f i c p o i n t m o r e o v e r ，w o r kp r e s s u r e o ff u e lc e l l si s l i m i t e d b y s t a c k r e q u i r e m e n t so fs e a l i n g ，i n t e n s i t yo fm a t e r i a la n ds e c u r i t yo fh 2 0 2r e a c t i o n w h e nw ea d o p tp e mo fn a f i o ns e r i e sf o rf u e lc e l l ，t h ew o r kp r e s s u r e s h o u l dn o te x c e e d1m p a b a s e do nt h i sa n dt h et h e o r yo fe l e c t r i cp h y s i c a lm o d e l ，s o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n kw e r eu t i “z e dt oc r e a t et h es i m u l a t i o nm o d e lo ff u e l c e l ld y n a m i co u t p u tp e r f o r m a n c ea sp o w e rl e v e lc h a n g e s w i t h o u tr e g a r dt o t h et i m el a go fa i rs u p p l ys y s t e m ，m a i nf a c t o rt h a ti n f l u e n c e sd y n a m i c r e s p o n s eo ff u e lc e l li sd i f f u s i o nc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o no f e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n w h i c hr e s t r i c t st h ec h a n g er a t eo ff u e lc e l lc u r r e n t h 1 华南理1 ：人学硕十学位论文 t a k i n gm a r kvp e mf u e lc e l ls t a c ka sa ne x a m p l e ，t h ed y n a m i cm o d e l e n a b l e st os i m u l a t es t a c kc u r r e n t ，v o l t a g ea n dp o w e ro u t p u tr e s p o n s ea s p o w e rl e v e lc h a n g e sf r o m3 0 k wt o5 0 k w t h et i m ec o n s t a n to fd y n a m i c r e s p o n s ei s 12 2m sw i t h5 t o l e r a n c e ith a sb e e nc o n c l u d e dt h a tt h e e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o no fp e mf u e lc e l li t s e l fh a sar a p i dr e s p o n s et o p o w e rl e v e lc h a n g e o nt h eo t h e rh a n d ，a i rs u p p l ys y s t e mc o n t r i b u t e sa n e v i d e n ti m p a c to nt h ef u e lc e l ls t a c kd y n a m i cb e h a v i o r i no r d e rt ok e e p s t a c kp a r a m e t e r so u t p u ti ns t e a d ys t a t e ，a i rp r e s s u r ei n e q u a l i t yf o rag i v e n c o m p r e s s o ri sa d v i s e dt ob el e s st h a n2 d u r i n gw o r kp r o c e s so fp e mf u e lc e l l s ，f u e lc o n s u m p t i o nm a i n l y d e p e n d so nt h es t r u c t u r eo ff l o wf i e l d i nt h i ss t u d y ，a na n o d em o d e lf o rt h e a n o d es i d eo ff u e lc e l lw a sd e v e l o p e du n d e rf l u e n tt os t u d yt h ee f f e c to ft h e c h a n n e ld i m e n s i o n sa n ds h a p ei nt h ef l o wf i e l do ft h eb i p o l a r e n dp l a t e s h e a ta n dm a s st r a n s f e ri nf u e lc e l li ss t u d i e d a sac o n c l u s i o n ，s i n g l e - p a t h s e r p e n t i n ef l o wf i e l dd e s i g np o s s e s s e sf a v o r a b l ec h a r a c t e ro fg a sf l o wa n d d i s t r i b u t i o n t h i s d e s i g nn o to n l yc o n t r i b u t e st h ee q u a l i t yo fc u r r e n t f o r m a t i o n ，b u ta l s oa v o i d sc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n w h a t sm o r e ，p e m f u e lc e l l sr e a c h e sah i g hr a t eo ff u e lc o n s u m p t i o n ，n a m e l yh i g h e rt h a n8 0 ， w h e nt h es t r u c t u r eo ff l o wf i e l db i p o l a rp l a t eo na n o d es i d es t a n d st oa r a n g eo f1 1 4t o1 4 m mf o rc h a n n e lw i d t h ，0 8 9t o 1 4 m mf o rc h a n n e ld e p t h a n d1 0 2t o2 0 4 m mf o r1 a n dw i d t h i nt e r m so fv e h i c l es y s t e mw i t hp e mf u e lc e l l sa sp o w e rs o u r c e ，t h e s t u d yb e l o n g st ot h eb a s a lp a r t m o d e l se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra r et os o m e e x t e n tt r a n s p l a n t a b l ea n du n i v e r s a l f u r t h e rs t e p sc a nb et a k e nt om a k e o p t i m i z a t i o na n dd e s i g nf o rp o w e rs u p p l ya n dv e h i c l es y s t e m s k e y w o r d s ：p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ；w o r k p a r a m e t e r ；c o m p u t e r s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n 符号说明 符号说明 v 华南理i ：大学硕十学位论文 氢气分压，m p a 氧气分压，m p a 气体常数，8 31n m k g k 等效活化极化内阻，q 等效欧姆极化内阻，q 质子移动过程中的电阻，q 电子移动过程中的电阻，q 标准摩尔熵，一l6 3 15j m 0 1 k 连续性方程源项 x 方向动量源项 y 方向动量源项 z 方向动量源项 燃料电池输出电压，v 单体电压，v 扩散速度 氧化反应速度 还原反应速度 x 方向的速度分量 y 方向的速度分量 z 方向的速度分量 组分i 电荷数 多孔介质的渗透性 电子移动引起的过电位 活化过电位，v 欧姆过电位，v 7 个纯经验系数 常数 常数 介质中流体的粘性系数 控制区域中流体的密度，k g m 3 阴极电位，v 平衡电极电位，v 比 甜 帆 p ” r胪一胪血瓯矿y圪玩匕_匕硝名七pe 目录 目录 摘要1 a b s tr a c t i i i 符号说明v 笺一蕈前言。、 1 1 燃料电池汽车发展背景1 1 2 燃料电池的化学原理1 1 3 燃料电池的特点4 1 4 燃料电池技术的前景展望4 1 5 课题任务6 1 6 本章小结6 第二章质子交换膜燃料电池运行参数仿真优化研究8 2 1 电化学模型理论8 2 1 1 活化过电位8 2 1 2 欧姆过电位1 l 2 2 建模仿真与实例分析13 2 2 1 单体性能优化分析l5 2 2 2 燃料电池堆性能分析18 2 3 本章小结19 第三章质子交换膜燃料电池输出功率瞬态响应仿真研究2 0 3 1 燃料电池的动态响应模块构造2 0 3 2 动态响应数学模型及其仿真2 0 3 3 仿真结果分析2 3 3 4 压力扰动的影响2 4 3 5 本章小结2 7 第四章质子交换膜燃料电池系统2 9 4 1 系统效率的计算2 9 4 1 1 热力学效率2 9 4 1 2 电化学效率3l 4 2 燃料供给量的计算3l 4 3f c e n g i n e 的系统方案3 2 4 3 1 氢气供给系统3 2 4 3 2 空气供给系统3 2 4 3 3 水热管理系统3 3 华南理r 大学硕十学伉论文 4 3 4 控制安全系统3 3 4 4 质子交换膜燃料电池系统控制3 3 4 4 1 压力控制的实现3 4 4 4 2 尾气流量的控制3 4 4 4 3 电堆温度的控制3 5 4 4 4 控制理论3 5 4 5 本章小结3 7 第五章质子交换膜燃料电池c f d 仿真38 5 1 质子交换膜流场板3 8 5 1 1 多孔材料流场板3 8 5 1 2 点状流场板4 0 5 1 3 网状流场板4 0 5 1 4 蛇型流场板4 0 5 2 数值模拟方法介绍4 4 5 2 1c f d 简介4 4 5 2 2c f d 计算过程4 5 5 2 3c f d 软件简介4 6 5 3p e m 燃料电池c f d 建模与分析5 0 5 3 1 基本模型51 5 3 2 建立传热传质模型5 4 5 3 3 数值模拟结果及分析5 7 5 4 燃料消耗率的优化7 0 5 5 本章小结7 l 结论与展望7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 8 致谢7 9 第一章前言 第一章前言弗一早f j ui 1 1 燃料电池汽车发展背景 全球汽车保有量一直在增长，汽车带来的环境问题已经引起了人们 的普遍关注。与此同时，能源危机特别是石油危机的出现也迫使人们努 力去寻找新能源以代替传统能源。高效、清洁、经济、安全的能源体系 是未来社会的迫切要求，而高效率和低污染则成为人们对未来汽车的要 求。进入2 0 世纪9 0 年代以来，燃料电池电动车在众多的汽车技术中脱 颖而出，得到了各国政府、专家及大企业集团的一致看好，被认为是汽 车尾气污染的彻底解决方案。 早在18 3 9 年，w i l l i a mg r o v e 首次发现了燃料电池原理，但限于技术 因素一直未能得到充分发展。直至l9 3 2 年，f r a n c i sb a c o n 成功开发了第 一个燃料电池。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转 换成电能的装置。这种装置反应过程中不涉及到燃烧，其能量转化效率 不受卡诺循环( 最大效率只有3 3 35 ) 的限制，可高达5 0 6 0 ，通 过对余热的二次利用，总效率可高达6 0 8 0 ，实际使用效率是内燃机 的2 3 倍；反应的产物是水，当以纯氢为燃料时，能够实现真正的零排 放。按照电介质的不同，燃料电池有不同的类型。燃料电池电动车样车 实验表明，以质子交换膜燃料电池为动力的电动车性能完全可与内燃机 相媲美【1 1 。 1 2 燃料电池的化学原理 燃料电池是利用电化学反应原理将化学能转化为电能的装置。与普 通电池一样，其最基本的结构包括阴极、阳极和电解质。根据电解质的 不同，燃料电池分为固体氧化物燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l s ，s o f c ) 、 碱性燃料电池( a l k a l i n ef u e lc e l l s ，a f c ) 、磷酸盐燃料电池( p h o s p h o r i c a c i df u e lc e l l s ，p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e l c e l i s ，m c f c ) 、质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e l c e l l s ，p e m f c ) 等。其中，质子交换膜燃料电池以其高能量密度、工作温 华南理r 大学硕十学位论文 度低、快速启动、结构紧凑等优点被公认为发展前景最好的汽车动力源。 表卜1 燃料电池的分类及技术比较l ：i t a b1 一lt y p e sa n dt e c h n i q u e so ff u e lc e l i s 燃料电池电解质l 作温度电化学反应式 p e m f c 同体有机膜 5 0 1 0 0 阳极：h2 2 h + 2 e 阴极：1 2 0 2 + 2 h + + 2 e h 2 0 p a f c h3 p 0 4 1 7 5 2 0 0 阳极：h2 2 h + 2 e 阴极：l 2 0 2 + 2 h + + 2 e i t2 0 m c f c ( l i 、n a 、k ) 2 c 0 36 0 0 - 1 0 0 0 阳极：h 2 + c o ；2 一h2 0 + c 0 2 + 2 e 阴极：1 2 0 z + c o z + 2 e c o j 2 s o f c y s z ( 用y 。o a 稳 6 0 0 一1 0 0 0 阳极：h 2 + 0 2 - 一h t o + 2 e 定的z r o ：)阴极：1 2 0 2 + 2 e 一0 2 - 质子交换膜燃料电池由阳极集流板、阴极集流板、膜电极和外部电路 等部分组成，其工作原理如图1 1 所示。其中，膜电极装置( m e m b r a n e & e le c t r o d ea s s e m b1y ，m e a ) ，双极板和密封垫片组成一个p e m 燃料电池 单体，呈三明治结构。膜电极很薄( 厚度般小于lm m ) ，是在质子交换膜 的两侧分别涂覆一定载量的铂基催化剂以及导电多孔透气扩散层( 多采 用碳纤维纸或碳纤维布) 所组成，形成燃料电池的阳极和阴极。 燃料电池的反应过程如下： 首先增湿后的氢气通过阳极集流板上的气体通道穿过扩散层，达到阳 极催化剂层，并吸附于电催化剂层中，然后在铂催化剂作用下发生反应： h 2 2h + + 2 e 一 第一章前言 喵j 。ll 阳极、 载荷 阴极 | ， 一-誓 ” 鍪 一 震l t 0 2 n 髟髑攀 囊 ” 鏊 0 2 lh 参 。髯 i - 1 2 ；爹4 ：l 旷 l 扎 i - 1 2 j 襄! ； l 、：b 荔 ： 磊捌一 褫燃谚缀 h 2 _ 2 h + 2 e 一1 ，2 0 2 + 2 h + 2 e _ h 2 0 电极总反应式；e i z + l 2 0 2 _ 1 2 0 a 一集流板b 一扩散层c 一催化剂层d 一质子交换膜 图1 - 1 p e m 燃料电池单体原理示意图 f i g1 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fp e mf u e lc e l i s 随后h + 进入质子交换膜，与膜中的璜酸基( s 0 3 h ) 上的h + 发生交 换，使氢离子到达阴极；电子通过外电路到达阴极。 与此同时，阴极增湿的氧气也通过阴极集流板上的气体通道穿过扩 散层，达到阴极催化剂层，并吸附于电催化剂层中，与交换而来的h + 在 铂催化剂作用下发生反应： l 2 0 2 + 2h + + 2 e 一一h 2 0 总的化学反应如下：h 2 + l 2 0 2 = h 2 0 化学反应的同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可 以向负载输出电能。生成的水通过电极随反应尾气排出。 通常p e m 燃料电池单体的工作电压为0 55 - 0 7 5 v ，电流密度为 0 8 0 12 a c m 2 ，t 作温度范围从室温至l0 0 0 c 。而p e m 厚度越小、操作 温度越高( 受p e m 耐温性限制，一般为室温9 0 ) 、操作压力越大、反应 气湿度越大从而p e m 湿度越大，单电池性能也就越好。为满足动力系统 的输出要求( 包括电压、电流及功率输出等) ，需将多个单体以串联、并 联或混合方式组合成电池堆。例如，中科院大连化学物理研究所组装的 lk w 电池组由35 对单电池组成，电池组的输出功率为1 0 1 5 k w ，输出 电压为2 3 2 7 v ，输出电流密度为4 0 - 6 9 a 13 i 。 燃料电池是一种把燃料具有的化学能连续而直接地转变成电能的装 3 华南理r 大学硕十学位论文 置。只要连续地把反应物供给电池，并把电极反应的产物不断地从电池 排走，那么就可以连续不断地把燃料的化学能直接转换成电能。 1 3 燃料电池的特点 燃料电池汽车之所以能在竞争中脱颖而出，成为强有力的竞争对手， 主要原因是其具有的优点倍受青睐。 燃料电池汽车的三大优点15 1 ： 低排放。燃料电池通过电化学的方法，将氢和氧结合，直接产生电 和热，排出水，不污染环境。以甲醇、汽油等为燃料的燃料电池汽车虽 也产生二氧化碳，但其排放量比内燃机的要少得多，且没有其它污染排 放( 如氧化氮、氧化硫、碳氢化物或微粒) 问题。 燃料多样化。燃料电池所使用的氢可取自天然气、丙烷、甲醇、汽 油、柴油、煤以及再生能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安全和 利用现有的交通基础设施( 如加油站等) 。 高效率及高性能。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能， 不通过热机过程，因而不受卡诺循环( c a r n o tc y c le ) 的限制。由于燃 料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，其效率大为提高，约为 内燃机的2 3 倍。燃料电池汽车在成本和整体性能上( 特别是续驶里程和补 充燃料时间上) 也明显优于其它电池的电动汽车。 此外，以p e m 燃料电池为代表的燃料电池汽车还具有：( 1 ) 工作 温度低。一般工作温度为5 0 。c 一1 0 0 0 c ，具有低温下启动快的特点。( 2 ) 对瞬时载荷有良好的反应。( 3 ) 运行噪声低，工作可靠性高。( 4 ) p e m 燃料电池内部构造简单，电池模块化结构，使得电池组的组装和维护都 非常方便；也很容易实现“免维护 设计。 1 4 燃料电池技术的前景展望 19 9 8 年3 月，美国财富杂志的评论声称：“燃料电池将会把那些 驱动世界轿车、卡车以及公共汽车的嘈杂而又污染环境的活塞发动机淘 汰，就像淘汰蒸汽机那样。”是否将来真是如此，暂且不论。但近年燃料 电池汽车的开发进展之大和商业化步伐之快却是实实在在的，为世人所 4 第一章前言 瞩目。随着各国政府、各大汽车制造厂家的积极参与、投入的骤增以及 技术的进步，几经沉浮的燃料电池汽车的开发已经驶出实验室，开始其 商业化进程，进入一个富有挑战与机遇发展阶段。 美国的“新一代汽车 p n g v 计划已经确定将燃料电池发动机作为新 型动力的发展方向之一，以期达到2 0 0 4 年汽车经济性提高三倍的目标。 加拿大的b a lla r d 公可是世界上最早开展燃料电池技术研发的高技术公 司，也是当今国际上最具竞争力的生产燃料电池产品的公司。该公司的 产品实现了在零下2 0 。c 条件下冷启动，电堆的寿命高于2 0 0 0 小时，产品 m a r k9 0 0 连续最大功率已经达到8 5 k w ，采用氢气和空气作为反应气体， 代表了当今车用燃料电池的国际水平。b a l 1a r d 公司还宣布生产的燃料电 池堆到2 0 1o 年可下降到3 0 美元千瓦，能量密度提高到2 5 0 0w l 耐 久性提高到5 0 0 0 小时。 近年来的燃料电池汽车开发越来越多地融入了企业行为，世界各主 要汽车制造厂家及燃料电池公司无不卷入这场竞争中，例如b a lla r d 公 司与d a i m l e r c h r y s l e r 、f o r d 、g m 、h o n d a 、y o l k s w a g e n 等公司的合作， b m w 和sie m e n s 的合作，以及r e n a ult v 0 1v o 和d e n o r a 之间的合作。在亚 洲，日本较早地进行了燃料电池的研发，日本新能源开发组织成功运作 了以燃料电池技术的实用化为目标的一期工程。联邦快递公司与通用公 司宣布将正式在日本进行“通用氢动三号 p e m 燃料电池车商用试验。 冰岛首都雷克雅未克也开始运行氢作燃料的p e m 燃料电池公共汽车，而 且设立了加氢站1 2 l 。据预测，到2 0 2 0 年，用燃料电池的汽车将占世界汽 车市场的2 5 。 在国内，9 0 年代以来一些单位也开展了燃料电池电动车的研究开发 工作。以中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心为代表，从 9 0 年代开始进行p e m 燃料电池的研究，至今已研制成功5 k w 、3 0 k w 的p e m 燃料电池电堆。总体而言，我国在燃料电池电动车技术水平上与国外还 存在较大差距。为提高我国汽车工业的竞争力，科技部在“十五”国家 8 6 3 计划中，特别设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为 我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高校和科研机构联合攻关。 燃料电池代表着一种高能低耗的清洁能源利用方式，从经济、环境 等角度来看，都很有应用价值。而要实现商业应用，目前阶段还有许多 技术问题尚待解决。减少固有材料与制造费用，对于汽车方面的应用来 说是最大的一项挑战；氢燃料的提取和存储目前还是一个主要问题；对 于低温p e m 燃料电池而言，在富氢重整产品进入燃料电池之前尚需彻底 的燃料净化。 5 华南理工大学硕士学位论文 目前大多数燃料电池汽车开发商的注意力主要集中在甲醇上。奔驰、 丰田和马自达均选用甲醇作为其轻型车燃料。使用甲醇需安装转化装置， 会增加成本，但好处不少。首先甲醇液体燃料使用方便，能利用现有的 基础设施，如现在美国加州已经有用于内燃机的m l0 0 ( 10 0 甲醇) ，m 8 5 和m 75 甲醇燃料供应；其次，甲醇含碳比汽油和柴油少，更易于转化， 效率更高，约为8 0 。而且，使用甲醇排放二氧化碳较少，甲醇的生产 可来自再生能源( 如生物质能) ，这都更有利于环保。 与甲醇相比，汽油的转化工艺比较复杂，且效率较低，但它在现有 基础设施利用和生产上具一定优势，因此仍有公司在研究，如美国的 a r t h u r d l it tlo 就在19 9 7 年开发出使用汽油的燃料电池。 燃料电池电动车发展的可能性关键在于燃料电池技术的突破性进 展。8 0 年代，在加拿大、美国等国科学家的共同努力下，质子交换膜燃 料电池技术进展迅速：开发出薄的高电导率的n a f i o n 和d o w 全氟磺酸膜， 使电池性能提高数倍；采用铂碳催化剂代替纯铂黑，并在催化剂层中加 入全氟磺酸树脂，实现了电极的立体化；将阴极、阳极与膜热压在一起， 组成电极一膜一电极三合一组件，减少了膜与电极的接触电阻；这些工 艺大幅度提高了电池的性能，电池输出功率高达o 5 2w c m 2 ，铂载量降 至低于o 5 m g c m 2 ，电池组的质量比功率和体积比功率分别达到7 0 0w k g 和1 0 0 0 w li l l 。 目前世界各国都在致力于燃料电池汽车技术的开发应用，其中欧美 日在燃料电池技术的掌握上仍居世界前列。虽然离真正意义上的工业应 用还有很大一段距离，但相信不久的将来，在各种清洁有效的能源利用 方式中，燃料电池必定会占有重要的一席之地。 1 5 课题任务 目前，国内外p e m 燃料电池的研究主要集中在基础研究上( 尤其是 基础功能材料) 。由于p e m 燃料电池工作在封闭、复杂的环境下，是具 有多回路、多相流、电化学反应的非线性复杂系统，要获得各种工作特 征信息，需建立p e m 燃料电池模型。 燃料电池研究的模型有数学模型和系统模型。目前已有不少学者就 p e m 燃料电池建模做出了探讨，从文献看，研究较多的是建立在实验和 电化学动力学基础上的数学或经验模型1 6 l 。 相比之下，p e m 燃料电池的系统建模的研究较少。由于系统的辨识 6 第一章前言 模型与具体p e m 燃料电池电堆的结构条件有关，有一部分结构要素无法 实现参数化，建模研究尚处于水热管理模型水平上。当前p e m 燃料电池 建模研究的瓶颈是p e m 燃料电池系统，其发展趋势是：找出标准状态下 较少参数的数学关系，根据条件变化增加修正常数，建立p e m 燃料电池 系统模型。 同时，国内外对p e m 燃料电池控制方面的研究很少，而且仅仅局限 在物料传递与传质、水热平衡模型分析和建模的水平上，真正对p e m 燃 料电池各种控制理论、策略、方法的研究尚处于起步阶段。 在p e m 燃料电池逐渐产业化的今天，要保证p e m 燃料电池高性能、 高可靠性运行，必须完善p e m 燃料电池的系统性建模，建立可靠的控制 系统。 作为车用燃料电池发动机的研究( 广东省重点基金项目) 的一部分， 本课题将在目前国内外研究水平的基础上，利用数学模型进行p e m 燃料 电池系统的工作过程仿真，并结合实例进行p e m 燃料电池传热传质的 c f d 分析。在此基础之上对系统设计及控制策略进行初步探讨和可行性 分析。 课题任务及目标： 11 ，结合质子交换膜燃料电池的工作原理，利用模型及相关软件( m a t l a b s i m u l i n k ) 对其工作工程进行仿真，分析各主要参数( 电堆的工作压 力、工作温度等) 对电池输出性能的影响程度，提出优化方案。 2 ) ，初步提出p e m 燃料电池系统的控制策略，并进行可行性分析。 3 ) ，采用c f d 软件，对稳定工况下的p e m 燃料电池进行传热传质的建 模分析，评价工艺结构的合理性，得出结构优化结论。 1 6 本章小结 本章简要介绍了燃料电池的发展背景及研究现状，概述了质子交换膜 燃料电池的工作原理、作为汽车动力源的特点及其前景展望；在此基础 上提出了本研究课题一一质子交换膜燃料电池建模与仿真研究，最后陈 述了本课题研究的主要内容、方法及目标。 7 华南理【= 大学硕十学位论文 第二章质子交换膜燃料电池运行参数 2 1 电化学模型理论 仿真优化研究 对于阳极反应气体为加湿处理的h 2 ，阴极反应气为0 2 的p e m 燃料 电池，其工作原理如下： 阳极