质子交换膜燃料电池的建模与仿真分析.pdf
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第41卷第2期中南大学学报(自然科学版)Vol.41No.22010年4月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Apr.2010质子交换膜燃料电池的建模与仿真分析贺建军,孙超(中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083)摘要:
针对当前燃料电池模型复杂、准确度不高、不利于控制策略研究等问题,对质子交换膜燃料电池工作原理进行研究,对燃料电池进行数学描述。
通过分析电池工作过程中影响输出的几个主要因素即电化学电动势、活化极化过电压、欧姆极化过电压、浓度极化过电压与双层电荷层作用,建立燃料电池数学模型。
用实验测试数据和参数优化方法确定模型参数,并利用Matlab/Simulink仿真平台对质子交换膜燃料电池模型进行仿真分析。
仿真结果表明:
模型输出结果与实验结果相吻合,模型具有良好的稳态性能;模型输出能快速响应负载变化,其动态性能良好;此模型能真实反映质子交换膜燃料电池工作特性,能有效地用于燃料电池控制策略研究。
关键词:
燃料电池;建模;仿真;参数优化中图分类号:
TP911.48文献标志码:
A文章编号:
16727207(2010)02056606ModelingandsimulationanalysisofprotonexchangemembranefuelcellHEJian-jun,SUNChao(SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:
Basedonthecurrentproblemsinthecomplexfuelcellmodel,forexample,theaccuracyisnothighanditisnoteasytocontrolstrategy,theprincipleofprotonexchangemembranefuelcellwasintroducedandtakenasthefoundationtodescribethefuelcellmathematically.Byanalyzingsomeprimaryfactors,suchaselectromotiveforceofcells,activationvoltagedrop,ohmicvoltagedrop,concentrationvoltagedrop,double-layerchargingeffectandaffectedoutputinthebatteryworkprocess,thefuelcellmathematicalmodelwasestablished.Themodelparametersweredeterminedwiththetestingdataandtheparameteroptimizationmethod,andthemodelwasemulatedontheplatformofMatlab/Simulink.Thesimulationresultsshowthatthemodeloutputandtheempiricaldatumcantotallyreflecttheoperationalfactorofprotonexchangemembranefuelcellaccurately,andthereisagoodagreementbetweenthemodeloutputsandexperimentalresults,andthestead-stateandtransientstatecharacteristicsofPEMFCcanbereflectedaccurately.Therefore,thismodelmaybeappliedeffectivelyinthePEMFC(protonexchangemembranefuelcell)controlstrategyresearch.Keywords:
fuelcell;modeling;simulation;parameteroptimization能源和环境是人类赖以生存和发展的物质基础,开发新型能源和保护环境已经成为人类社会发展面临的2个很重要的问题。
质子交换膜燃料电池(Protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的装置。
它使用可再生的氢气,生成的反应物为水,实现了零排放,是环保与高效的新型能源。
同时,PEMFC具有体积小、模块呈“积木化”结收稿日期:
20081210;修回日期:
20090306基金项目:
国家自然科学基金资助项目(60843002);湖南省自然科学基金资助项目(09JJ6098)通信作者:
贺建军(1965),男,湖南长沙人,教授,从事复杂系统建模与优化控制、自适应控制等研究;电话:
13507465056;E-mail:
第2期贺建军,等:
质子交换膜燃料电池的建模与仿真分析567构、组装和维护方便等优点,是目前发展最快、应用最广的电池,是新一代能源动力系统。
随着PEMFC的广泛应用,电池控制策略研究成为燃料电池研究的重点,这要求PEMFC模型能有效应用于控制方案中。
PEMFC模型分为机理模型和经验模型1。
目前,基于机理方法建模的PEMFC模型主要有Baschuk模型2、Rowe模型3、Berning模型4、Bernardi模型5等。
这些模型机理较复杂,不易于控制策略研究。
Amphlett模型是利用PEMFC燃料电池的实验数据,对由单电池工作机理建立的输出特性公式中的系数进行线性回归,得到的单电池输出特性模型6。
Amphlett模型简单,能较好地反映PEMFC单电池输出特性,但是,由于该模型没有考虑电池中浓度极化等因素的影响,其输入输出结果与实际结果相比误差较大。
在此,本文作者以Amphlett模型为基础,通过分析浓度极化过电压与双层电荷层作用对单电池输出特性的影响,建立以氢气、氧气流量为模型输入,输出电压为模型输出的单电池仿真模型。
模型参数用参数优化的方法确定。
1PEMFC工作原理PEMFC燃料电池由阴极槽、阳极槽及其两槽之间的电解质膜即质子交换膜组成,如图1所示。
氢气通过管道或导气板到达阳极,在阳极催化剂作用下,氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子(见式
(1)。
氢离子穿过电解质(质子交换膜)到达阴极,电子则通过外电路到达阴极。
电子在外电路形成电流,通过适当连接可向负载输出电能。
在电池另一端,氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极,在阴极催化剂作用下,氧与氢离子及电子发生反图1PEMFC工作原理图Fig.1WorkingprincipleofPEMFC应生成水,同时释放热量(见式
(2)。
质子交换膜燃料电池总的化学反应见式(3)7。
阳极反应:
H22H+2e
(1)阴极反应:
+2e2HO212H2O+热量
(2)电池总反应:
22O21H+H2O+电能+热量(3)2PEMFC的数学建模以Amphlett模型为基础,根据一些经验公式以及内部电化学方程建立电池模型。
Amphlett模型认为输出电压由电化学电动势和极化过电压决定,PEMFC在工作过程中,其理想输出应为电化学电动势,由于存在不可逆损失,电池输出电压会随之下降。
实际上,燃料电池的不可逆损失就是极化过电压,主要有3种极化作用即活化极化作用、欧姆极化作用和浓差极化作用引起。
根据PEMFC工作原理,在燃料电池运行过程中,电池内部发生了电化学反应,输出电能。
根据氢氧燃料电池的Nernst方程,其电化学电动势ENernst6表示为:
Nernstref()22GSETTFF=+221ln(H)ln(O)22RTppF+(4)式中:
G为吉布斯自由能;F为法拉第常数;S为熵变;R为普适气体常数;p(H2)为氢气的有效分压;p(O2)为氧气的有效分压;T为工作环境温度,Tref为参考温度。
将常数G=237.16kJ/mol,F=9.64853104C/mol,S=164.025J/(molK),R=8.314J/(molK)代入式(4),可得:
3Nernst1.2290.8510(298.15)ET=+5224.308510ln(H)0.5ln(O)Tpp+(5)活化极化是由发生在电极表面、反应缓慢的动力学作用引起。
该电压损失的作用是在化学反应中驱使电子到达或者离开电极7。
1905年,Tafel报道了多种电化学反应中电极表面的过电压相似模式。
该模式揭示了电极表面的过电压与电流呈近似对数比例关系:
act0ln(/)VAii=(6)其中:
Vact为活化极化过电压;A为电池有效面积;i为电流密度;i0为极限电流密度。
中南大学学报(自然科学版)第41卷568活化极化过电压在阴极和阳极的电极上都存在。
PEMFC阴极发生的是氧气的还原反应,即氧气与从阳极传递过来的氢离子反应生成水。
根据Berger理论8,控制该反应的步骤是:
M(OH)+H+H2O(7)其中:
M表示阴极铂催化剂的活性位(Activesite)3。
将其决定的电极反应速度代入Tafel方程,就可得到阴极的活化极化过电压Vact,c:
0act,ccclnexp()RTGVnFKFnRT=ccc
(1)
(1)222(O)(H)(HO)lncccI(8)式中:
c为阴极化学活度;n为参与反应的电子数;0cK为阴极反应速度内在常数(cm/s);c(H2O)为阴极膜与反应气体界面的水浓度(mol/cm3);c(O2)和c(H2)分别为阴极膜与反应气体界面的氧气和氢气浓度(mol/cm3);I为阴极电流。
由Henry定律6,9,有)/498exp(1008.5/)O()O(622Tpc=(9)同理,c(H2)亦可根据Henry定律得出。
阳极活化过电压Vact,a可表示为:
0act,aa2ln4(H)ln222GRTRTVFAKcIFFF=+(10)式中:
0aK为阳极反应速度内在常数(cm/s)。
总的活化极化过电压就是阳极活化过电压与阴极活化过电压之和,即:
actact,aact,c1232ln(O)VVVTc=+=+425ln(H)lnTcTI+(11)其中:
系数1,2,3,4和5可通过实验数据和参数优化方法确定。
根据Amphlett模型,PEMFC欧姆过电压主要包含2部分电池阻抗产生的电压降,这2部分阻抗是指质子膜的等效膜阻抗RM和阻碍质子通过质子膜的阻抗Rc(通常为常数)。
根据电阻率定理,等效膜阻抗RM可由下式得出:
MMBRA=(12)式中:
M为质子膜对电子流的电阻率(cm);B为质子交换膜厚度。
根据文献6,M可由下式得出:
2.5M181.610.030.0623033030.6343exp4.18ITIAAITAT+=(13)其中:
为质子交换膜含水量。
欧姆极化过电压Vohm可表示为:
ohmMc()VIRR=+(14)在反应过程中,由气体流入口反应地的扩散集合作用会形成极化梯度。
在这种情况下,反应物运输过慢导致产生极化过电压;同时,覆盖在阳极或阴极表面的水膜也是导致浓度极化过电压的原因之一。
根据文献10,浓度极化过电压Vconc由下式表示:
conclimln1RTIVn
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- 质子 交换 燃料电池 建模 仿真 分析