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1、萬方數(shù)據(jù)第3l卷第7期2010年7月太陽能學報ACTAENERGIAEs0IARIsSINlCAV01．31，No．7Jul．，2010文章編號i0254-0096(2010)07-0816-08質子交換膜燃料電池經驗模型徐敏1，阮新波1’2(1．南京航空航天大學自動化學院，南京210016；2．華中科技大學電氣工程學院，武漢430074)摘要：分析并總結現(xiàn)有PEMFC經驗模型相互之間的關系，并運用Saber仿真軟件，結合一定的電化學原理和熱動力學原理建立一個較為簡單的PEMFC經驗模型，模擬其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特
2、性。結果表明：這些模型能很好地反映實際燃料電池的電氣特性，對后級電力電子裝置的設計具有重要指導意義。關鍵詞：質子交換膜燃料電池；經驗模型；穩(wěn)態(tài)特性；動態(tài)特性中圖分類號tTKSl4文獻標識碼：A0引吾燃料電池發(fā)電作為一種高效、清潔的發(fā)電技術，直接將貯存在燃料(主要是氫氣)和氧化劑中的化學能轉化為電能。一般地，按照電解質的不同，燃料電池町分為堿性燃料電池(餓)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SoK)等。其中，PEMFC因其可在常溫
3、下工作，且結構緊湊、不使用腐蝕性的液態(tài)電解質，得到了更加廣泛的應用¨矧。為了優(yōu)化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，有必要建立燃料電池的模型并進行仿真分析，模擬其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。本文對現(xiàn)有燃料電池的模型進行總結和分類，在此基礎上，建立一個簡單通用的質子交換膜燃料電池經驗模型，并給出了實驗和仿真結果，驗證模型的準確性。1燃料電池的工作原理雖然不同類型的燃料電池的電解質不同，電極的化學反應也不相同，但是其工作原理類似，如圖1所示。燃料(氫氣、甲醇等)在陽極催化劑的作用下發(fā)生氧化反應，生成陽離子和自由電子；氧化物(通常為氧氣)在陰
4、極催化劑作用下發(fā)生還原反應得到電子并產生陰離子；電解質只允許陽離子或者陰離子電解質圖1燃料電池工作原理示意圖Fig．1Di唧showingtheop∞ltionprincipleofafuelcell通過，而不允許自由電子通過，陽離子和陰離子通過電解質分別運動到另一個電極上，同時自由電子通過外部電路由陽極運動到陰極，使整個反應過程達到物質平衡和電荷平衡u。J。對于PEMFC而言，氫氣在陽極被電離為質子和電子，質子和電子分別通過質子交換膜和外部電路運動到陰極，和陰極的氧氣在催化劑作用反應生成水，同時產生電和熱
5、。其總反應式為：1{02+H2一H20+電能+熱(1)2瑚C經驗模型2．1PEMFC模型的分類PEMFC的數(shù)學模型分為機理模型和經驗模型，收稿日期：2008—11—19基金項目：國家自然科學基金重點項目(50837003)；江蘇省“六大人才高峰”項目計劃(07-EXY22)；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(N(日獅12)通訊作者：阮新波(】970一)，男，博t、教授、博1：牛導師，主要從事功率電子變換技術、航空航大供電系統(tǒng)、新能源供電系統(tǒng)和電力電子系統(tǒng)集成方面的研究。ruanxb@nuaa．edu．cn萬方數(shù)據(jù)7期
6、徐敏等：質子交換膜燃料電池經驗模型817機理模型雖然能從基本的化學反應過程描述PEMFC的特性和工作情況，但計算過于復雜，而且在建模時作了許多理想假設，影響模型的準確性。因此，從實用角度出發(fā)，在合理假設的前提下，通過參數(shù)整定、曲線擬合等方法，建立簡單有效的經驗模型，也能很好地反映實際燃料電池的電氣特性[4】。2．2PEMFC輸出電壓圖2給出了PEMFC靜態(tài)特性曲線，其中理論電動勢代表燃料中化學能全部轉化為電能所對應的電動勢，此過程中假設燃料電池沒有能量損失，或者說這個過程是“可逆的”，因此又稱為可逆電動勢。
7、但實際上燃料電池中的化學反應是不可逆的，實際輸出的電壓要低于理論電動勢，通常稱這種差異為“過電位”。如圖2所示，隨著電流的增加，燃料電池輸出電壓會有所下降，在電流較小或較大時電壓下降幅度均較大，在中間區(qū)域近似線性下降，通常把這3個區(qū)域稱為活化極化區(qū)(又稱為電化學極化區(qū))、歐姆極化區(qū)和濃差極化區(qū)。圖2PEMFC靜態(tài)特性Fig．2SlaticcharacteristicofPEMFC燃料電池的不可逆性導致燃料電池輸出電壓低于理論電動勢，在上述PEMFC輸出特性的3個區(qū)域中分別包含3種不可逆因素，它們分別是活化損
8、失、歐姆損失和濃差損失?；罨瘬p失主要是由于在驅動電子傳輸?shù)诫姌O或傳輸出電極時，電極表面的化學反應速度過慢導致產生的部分電壓被損耗掉；歐姆損失是克服電子通過電極材料以及各種連接部件、質子通過質子交換膜的阻力而引起的；濃差損失是由于電極表面反應物的濃度差而導致的，這種濃度差主要由供氣不足引起。這些損失決定的過電位分別稱為活化過電位、歐姆過電位和濃差過電位。這樣，PEMFC的輸出的電壓移億就可以表示為：口fc=K一穢m
