论文部分内容阅读
随着日益严重的全球范围内的能源紧张和环境污染的加剧，发展高效和低污染的能源利用新技术已成为世界各国面临的一个重大课题。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)由于具有高效率、无污染、装置轻便、噪音低、室温快速启动等优点，已成为21世纪最有发展前景的高效清洁能源利用技术之一，受到了世界各国的高度重视和普遍关注。为了对PEMFC的可靠设计、优化和控制提供基础数据和设计依据，需要对其进行全面的数学建模和系统仿真。有关这方面的研究已经成为PEMFC研究领域的前沿研究课题之一，具有非常重要的学术研究意义和十分广阔的应用前景。本文首先概述了燃料电池的特点和分类，以及各种燃料电池的发展现状。简述了PEMFC的工作原理和各重要组成部件的功能和特性。在此基础上对PEMFC数学模型的研究进展进行了综述和分析。本文从系统角度出发，以PEMFC整体为研究对象，利用描述PEMFC的经验方程建立了PEMFC的稳态集总参数模型，进一步分析了电池工作温度、阴阳极反应气分压力等对PEMFC性能的影响。在集总稳态参数模型的基础上，建立了一个包括电池传热传质过程的非稳态PEMFC模型。在反应气体压力和工作温度恒定的情况下对PEMFC非稳态模型进行了仿真研究，通过外部负载的阶跃变化考察了电池的电流、电压、功率以及效率的响应特性。在此基础上，考虑了电池的温度、反应气压力和流量以及双电层电容效应对电池响应特性的影响，通过负载电阻的变化考察了PEMFC电压、温度、反应气流量以及压力等参数的动态响应。利用MATLAB中的SIMULLINK组件分别对所建的PEMFC稳态和动态数学模型进行了仿真研究。仿真结果表明，所建模型的仿真结果与文献报道的实验数据吻合较好，能够反映质子交换膜燃料电池的稳态和动态特性，可以用于燃料电池系统的特性仿真分析、优化设计以及电池系统的实时控制研究。最后，利用可视化的程序设计语言VISUAL BASIC编写了前台用户程序，通过调用MATLAB／SIMULINK在后台运行的方式，发展了一种基于MATLAB和VB软件包的质子交换膜燃料电池特性参数的仿真实验软件。该软件具有友好的人机交互界面，价格低廉与多功能，运行使用方便，可以满足燃料电池特性参数仿真实验研究的要求。