摘 要

燃料电池由于自身的清洁、高效、无污染的特性，在现代社会中得到了快速的发展。当前，质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，已经在人类的生产生活中得到了极大的应用。本文以质子交换膜燃料电池为例，对燃料电池动态特性进行建模、仿真和分析。

首先，本文对燃料电池的研究背景、类别进行了介绍，随后对质子交换膜燃料电池的工作原理及组件展开说明。

其次，本文介绍了质子交换膜燃料电池的动态特性模型。燃料电池输出电压与三种极化过电压有关，分别是活化极化过电压、欧姆极化过电压、浓度极化过电压，根据这三种过电压的方程式建立了电化学模型，并在此基础上模拟燃料电池的内部反应过程建立了等效模型，进而建立了动态模型。

最后，本文根据上述的电化学模型和动态模型进行仿真和分析。运用MATLAB/simulink仿真工具建立仿真模型，通过该模型分析负载电流阶跃变化时，燃料电池电压、输出功率、消耗功率、效率、等效内阻的动态响应。仿真结果和电池实际工作状况相符合。

关键词：质子交换膜燃料电池；电化学模型；动态模型；仿真

Abstract

Fuel cell is more and more concerned because of its clean, high efficiency and no pollution. At present, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), as a kind of fuel cell, has been widely used in the production and life of human beings. In this paper, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is taken as an example to model, simulate and analyze the dynamic characteristics of fuel cell.

First of all, this paper introduces the research background and types of fuel cell, and then explains the working principle and components of pemfc.

Secondly, the dynamic model of PEMFC is introduced in this paper. The output voltage of the fuel cell is affected by the activation polarization overvoltage, the ohmic polarization overvoltage and the concentration polarization overvoltage. The electrochemical model is established according to the three kinds of overvoltage equations. On the basis of the simulation, the equivalent model is built and the dynamic model is built.

Finally, the simulation and analysis based on the electrochemical model and the dynamic model are presented. The simulation model is built by using MATLAB/simulink simulation tool, and the dynamic response of fuel cell voltage, output power, power consumption, efficiency and equivalent internal resistance are analyzed by the model. The simulation results are consistent with the actual working conditions of the battery.

Key words: proton exchange membrane fuel cell; electrochemical model; dynamic model; simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 燃料电池的类别 2

1.3 燃料电池的原理和特性 2

1.4 本文主要研究内容 3

第2章 PEM燃料电池的工作原理和结构 4

2.1 PEM燃料电池工作原理 4

2.2 PEM燃料电池的主要组成部件 5

2.2.1 质子交换膜 5

2.2.2 电极 7

2.2.3 催化剂 8

2.2.4 双极板和流场 8

2.3本章小结 9

第3章 PEM燃料电池动态特性模型 10

3.1 电化学模型 10

3.1.1 热力学电动势 10

3.1.2 活化极化过电压 10

3.1.3 欧姆极化过电压 11

3.1.4 浓度极化过电压 12

3.2 动态模型 13

3.3本章小结 14

第4章 PEM燃料电池的动态特性仿真与分析 16

4.1 MATLAB/Simulink仿真工具 16

4.1.1 MATLAB 16

4.1.2 Simulink 17

4.2 单电池的仿真与分析 18

4.2.1单电池电压动态特性的仿真与分析 18

4.2.2 单电池其他动态特性的仿真与分析 21

4.3本章小结 24

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景

由于社会的快速发展，人们对资源的利用也大幅度的增加，导致原始能源的使用过度，不可再生能源已经面临着极其危险的地位。一方面人类在使用传统化石能源的过程中，造成了很大的环境污染，另一方面能源的危机已经非常突出。因此，这两个方面已经成为人类生存的主要问题^[1]。

高效率、无污染的可再生能源一直是人们探索的理想能源。处于21世纪的时代，对于可再生能源的研究和探索是每一个国家都在致力追寻的事情，正是在这种情况下，燃料电池以高效率、无污染、可再生的优势进入到我们的视野中。燃料电池不像传统的燃烧燃料进行发电的装置，而是缓慢的进行化学反应，把燃料中的化学能变为电能。由于化学反应之后的产物为水和二氧化碳，所以不会对环境造成影响。通过这种装置也能防止热卡机诺循环的影响，能够持续不断地产生能量，最大化的提高电能的转化。正是由于这种特性，它被认为当今四大能量转化发电方式之一，在新能源汽车、航天飞机、战舰领域有着巨大的应用前景^[2]。

国外对于燃料电池的应用经历三个时期。在上世纪60年代，美国首先把燃料电池用在航天飞机上作为动力电源，进而引发了各国把燃料电池用作潜艇动力源、航天动力源的热潮。在80年代之后，燃料电池开始进入到民用时期。在90年代，由于质子交换膜燃料电池关键技术研究的突破，逐渐的开始把其用商业用途，在这个时期，燃料电池汽车开始出现，德国戴姆勒奔驰汽车公司研发了第一代用燃料电池作为动力源的汽车。到现在，世界各国对于燃料电池的研究正在加紧步伐，它的应用已经进入到第四个时期——工业化。燃料电池一步步的运用正在如火如荼的进行，正是由于它的出现，生活中可以便捷式携带的以燃料电池为动力的电子产品将在不久的将来出现。