摘 要

质子交换膜燃料电池是一种可以进行能量转化并且供能的装置，它可以把燃料的化学能通过一系列反应转换为电能。在运行过程中，氢气和氧气在电极和催化剂作用下转变为水、电能和热量。质子交换膜燃料电池有着安全高效、工作温度不高、启动快速等相关优点，因此被认为是发展最好和最有前景的氢能使用方式之一。同时质子交换膜燃料电池还能降低污染排放、缓解环境污染所带来的压力，被认为是21世纪最有前途的清洁能源。因此，进行质子交换膜燃料电池的研究工作，具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

本文总结了燃料电池的发展历史现状，描述了按电解质划分的五种燃料电池的类型、特征以及应用领域；概述了质子交换膜燃料电池建模研究现状；分析了的基本原理及其各重要组件的工作机理和功能；在此基础上引出了质子交换膜燃料电池的基本数学模型，根据质子交换膜燃料电池热力学和电化学理论在引用经验公式，搭建了质子交换膜燃料电池的Simuilink稳态数学模型，通过仿真分析了电池工作温度的变化、阳极氢气和阴极氧气的分压力的改变以及不同膜水含量的情况下燃料电池的的稳态特性。并对模型进行了相关的分析和验证，然后通过故障树建模的方法，针对燃料电池的容易发生故障的部位进行安全性等级分类。依据故障发生部位确定监控点，通过安装传感器并进行故障报警的方法，来解决燃料电池的安全性预警和预报问题，进而对质子交换膜燃料电池进行详细的安全性评价。

关键词：质子交换膜燃料电池；Simulink；建模仿真；故障树；监控报警

Abstract

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is an energy conversion and energy supply device, which converts chemical energy into electrical energy through a series of reactions.

During operation, hydrogen and oxygen are converted into water, electricity and heat under the action of electrode and catalyst.Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is considered as one of the most promising hydrogen energy applications because of its safety, high efficiency, low operating temperature and fast start-up.At the same time, proton exchange membrane fuel cell can also reduce pollution emissions and relieve the pressure of environmental pollution, which is considered as the most promising clean energy in the 21st century.Therefore, the research work of PEMFC has certain theoretical significance and practical engineering application value.

This paper reviews the development history and current situation of fuel cell, describes five kinds of fuel cell electrolytes in types, characteristics and application fields, summarizes the research status of PEMFC modeling, analyzes the basic principles and the working principles and functions of each important component, and then introduces the basic mathematical model of PEMFC, Based on thermodynamics theory and electrochemistry of PEMFC,The simuilink steady-state mathematical model of PEMFC is established.The steady-state characteristics of PEMFC are analyzed by simulation, including the change of working temperature, the change of partial pressure of anode hydrogen and cathode oxygen, and the difference of membrane water content.And the model is analyzed and verified, and then through the method of fault tree modeling, the fuel cell components prone to failure are classified.Determine the monitoring point according to the location of the fault.Through the sensor installation and fault alarm, the safety warning and prediction of the fuel cell are solved, and the safety of the PEMFC is evaluated in detail.

Key words ： proton exchange membrane fuel cell; Simulink; modeling and simulation; fault tree; monitoring and alarm

目录

第 1 章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 燃料电池的介绍 1

1.2.1 燃料电池的发展史 2

1.2.2 燃料电池的分类 2

1.3 PEMFC国内外仿真研究现状 3

1.4 PEMFC国内外故障分析现状 4

1.5 本文研究的目的及意义 4

1.7 本章小结 5

第2章 PEMFC原理及其模型 6

2.1 PEMFC的基本结构和原理 6

2.1.1 PEMFC的电池基本结构 6

2.1.2 PEMFC工作原理 7

2.2 PEMFC稳态性能介绍 8

2.3 PEMFC稳态数学模型 8

2.3.1 能斯特电压 8

2.3.2 活化过电压 9

2.3.3 欧姆过电压 9

2.3.4 浓差过电压 10

2.4 本章小结 11

第3章 PEMFC系统建模仿真及联调 12

3.1 氢气压力系统的建模与分析 12

3.1.1 氢气压力系统的工作原理 12

3.1.2 氢气压力系统建模 12

3.2 氧气压力系统的建模与分析 14

3.2.1 氧气压力系统的工作原理 14

3.2.2 氧气压力系统建模 14

3.3 冷却水路系统的建模与分析 15

3.3.1 冷却水路系统的工作原理 15

3.3.2 冷却水路系统的建模 15

3.4 电堆系统的建模与分析 17

3.4.1 电堆的工作原理 17

3.4.2 电堆系统的建模 17

3.5 系统的联调 18

3.5.1 PEMFC联调模型 19

3.5.2 联调仿真结果及其分析 19

3.6 本章小结 21

第4章 PEMFC 故障树建模分析及安全评价 22

4.1 PEMFC 电池系统故障分析 22

4.2 PEMFC 故障树的建模及分析 23

4.3 PEMFC 各子系统故障分析 24

4.3.1 氢气排气阀的故障分析 25

4.3.2 氧气节气门的故障分析 26

4.3.3 冷却子系统风扇的故障分析 27

4.3.4 冷却子系统水泵的故障分析 28

4.3.5 电堆系统膜干水淹的故障分析 30

4.4 PEMFC故障类型总结 30

4.5 PEMFC故障监控及安全报警 31

4.5.1 燃料电池监控点的确定 31

4.5.2 燃料电池的安全报警 31

4.6 本章小结 31

第5章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 33

致谢 36

第 1 章 绪论

• 1. 课题研究背景

世界能源的格局是随着时代发展不断变化的。早在工业革命时期，蒸汽机这一发明，让煤炭资源成为主要的工业使用能源；19世纪左右发明的内燃机，让石油资源逐渐成为能源使用主力；20世纪七十年代，许多新能源比如太阳能、风能、核能、潮汐能等因为石油危机和环境污染而得到大力的开发和利用。但是能源结构的变革受到排放、转化效率以及可持续发展思想的影响，高效又比较清洁的能量转换技术和能源利用已成为21世纪的新目标。

传统能源的利用有以下三个缺点：第一，传统能源要通过化学能先转换成热能最后才能转化变成方便于人类社会使用的电能或者是机械能，它通过层层的转换效率极其低下，况且由于卡诺循环的限制，经过统计大概有将近三分之二的能量没有被完全使用^[1]；第二，传统能源不是无穷无尽用之不竭的，一旦超过了使用的限度将会对人类以后的发展产生不好的影响；第三，即为排放气体引起严重的环境污染等问题。这几年来，科研工作者们不断地努力寻求着能量利用率高并且又环保的新型能源。

燃料电池主要由集电板、电极、电解质隔膜等部件组成，在一定条件下可以把燃料的内能转变为电能。工作时在两极催化剂的作用下，氧化剂和燃料转变成水、电能和热能。相比于传统产能方式，由于工作过程没有燃烧，能量转化效率在运行过程中不会受到卡诺循环的影响，转化效率较高；而且，燃料电池的产物是水，能够实现零污染排放，并且无机械振动产生^[2]。燃料电池的使用，不仅能获得高效的能量转换效率，还能降低污染物排放、缓解环境恶化带来的压力。早在 1839 年，英国的 Grove 就研制了用金属镀所制成的铂作为电极，并使用氢气以及氧气分别作为燃料和氧化剂的单电池^[3]。但燃料电池在发展初期受到制造成本、使用寿命等方面的制约，并未得到大力的发展。在近 20 年以来，随着能源结构的变革，高效清洁的能量转换技术 和能源利用越来越被人们关注，高效洁净的燃料电池因此而受到各国的开发商、科研机构 以及政府的普遍重视^[4]。相比于其他类型的燃料电池，PEMFC 具有独特的优势，其能量密 度高、运行温度低、使用寿命长、结构简单、启动快捷、燃料来源广泛，可以作为便携式 小型电源、电动汽车动力源以及建立家庭热电联供系统等多种用途^[5]-[7]。因此，开展 PEMFC 的研究工作，对于改善能源布局和缓解能源危机方面具有重大意义。