质子交换膜燃料电池的一维气体扩散模型研究

其 中 ，Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 电 化 学 电 动 势 、欧 姆 过 电
压 、浓 差 过 电压 分别 为 ： Ｅ Ｎ ｅ ｒ ｎ ｓ ｒ １ ． ２ ２ － ０ ・ ８ ５ Ｘ １ ０ － ３ （ Ｔ － ２ ９ ８ ． １ ５ ）
为 主 要 能 量 载 体 的 氢 能 时 代 ，被 认 为 是 最 佳 的动 力源ｎ 】 。Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 建模 根 据 不 同 的研 究 目标 和特
并 释 放 出电子 ；氧 气通 过扩散 到 达 阴极催 化层 后 在 催 化 荆的作 用下 与氢 离子发 生反 应生成 水 。
Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ内发生 的化 学反 应 为 ：
二Ｄ １ ＋２ Ｈ ＋２ ｅ 一 Ｈ， Ｏ （ ２ ）
集 总参 数 模 型 建 模 简 单 ，计 算 量 小 ，适 用于
Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 系统 级 建模 ，然 而 集 总 参数 模 型 无 法 反 应 出 电池 内部 各 组 成 单 元 对Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的影 响 ，因 此 依 据 集 总 参数 模 型 仿 真 得 到 的Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的性 能 会 与
ｌ
訇 出
质子交换膜 燃料 电池 的一 维气 体扩散模型研究
Ｒｅｓ ｅａｒ ｃｈ ｏｎ ｔ ｈｅ ｍ ｏｄｅＩ ｏｆ ｏｎｅ－ ｄｉ ｍ ｅｎｓｉ ｏｎａｌ ｇａｓ ｄｉ 仃 ｕｓ ｉ ｏｎ ｏｆ ｐｒ ｏｔ ｏｎ
ｅ ｘｃｈａｎｇｅ ｍ ｅｍ ｂｒ ａｎｅ ｆ ｕｅｌ ｃｅｌ ｌ
阳极 ：
２
பைடு நூலகம்
征 尺度 ，可分 为集 总参 数模 型 和 多维 模型 。 目 前 ，关 于Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ系统 的性 能 分析 多采 用 集 总 参数 模 型 ，多维 模 型 主 要 应用 于 Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ 单 个 组 件 的机
理研究。
２ Ｈ ＋２ ｅ 一
（ １ ）
阴极 ：
组 成 ， 以氢 气 和 空 气 （ 或 纯 氧 ）作 为 燃 料 和 氧 化
剂 ，氢 气在 阳极 催 化层 中分 解 为氢 离子 （ 质 子 ），
ｍｅ ｍｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ， Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ）具 有 能 量转 化 效率 高 、环 境 友 好 、寿 命 长 等 特 点 ，在 未 来 的 以氢 作
１ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的工作原 理
Ｐ ＥＭ Ｆ Ｃ主 要 由 双 极 板 （ 极 板 上 加 工 有 流
收稿 日期：２ ０ １ ３ － ０ ８ － １ ３ 基金项 目：吉林大学汽车仿 真与控制国家重点实验室开放基金 （ ２ ０ １ １ １ １ １ ２ ） 作者简介：杜新 （ １ ９ ７ ５一），男 ，讲师 ，博士 ，研究方 向为燃料 电池性能 仿真 与控 制 。
杜 新 ，马富存 ，王金龙
ＤＵ Ｘｉ ｎ ’ 一 。 ＭＡ Ｆ ｕ — ｃ ｕ ｎ ，Ｗ ＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ — ｌ ｏ ｎ ｇ。
（ １ ． 吉林大学 汽车仿真 与控 制国家重点实验室 ，长春 １ ３ ０ ０ ２ ５ ；２ ． 长春理工大学 机电工程学院 ，长春 １ ３ ０ ０ ２ ２） 摘 要 ：目前对质 子交换膜燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＩ ＝ Ｏ）的系统性能进行分析 时 ，多采用集总参数模 型。 它无
法体现电池内部结构对系统性能的影响。本文建立了Ｐ Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ 沿膜厚方向的一维结构模型，通 过分析在 电池 阴、阳极 的气体扩散 规律 ，研究气源 压力 、温 度对 电池 输出 电压的影响 。通过 与不同条件下的实验结果以及集总参数模型进行比较，本文的仿真结果更加符合实验结果， 适用范围更广，可为车用燃料电池的优化和控制提供可靠依据。 关键 词 ：质子交换膜燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ ） ；气体扩散 层 ； 传质模型 ； 建 模 ；仿真 中图分类号 ：Ｔ Ｍ９ １ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ （ 上） 一 ０ ０ ９ ５ —０ ４
第３ ６ 卷 第３ 期 ２ ０ １ ４ — ０ ３ （ 上） 【 ９ ５ 】
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ｆ ４ ）
总反 应 ： １
‘ ＋ ＝（ ） ２ Ｈ ２ Ｏ
２ ‘
（ ３ ）
２ Ｐ Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ 的数学建模
本 文 假 设 在 电 池 内部 只存 在 气 相 ，且 保 持 等
温 ，并 忽 略 催 化层 和质 子 交 换膜 的厚 度 。Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ 模型 可分 为 电化 学模型 和 传质 模型 。
实 际Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 性 能 产 生较 大 的 相 对误 差 。针 对 该 问题 ，考 虑 到 电 池 的 物理 化 学 变 化 主 要 是 沿 着 膜
厚 方 向 ，本 文 建 立 Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ沿 膜 厚 度 方 向 的一 维 模 型 ，仿 真 结果 表 明 该 模 型 更 符 合 实 际 情 况 ， 为 车 用Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的设计 和 控制 提 供可靠 依 据 。
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ １ ． Ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ３ （ 上） ． ２ ９
０ 引言
质 子 交 换 膜燃 料 电 池 （ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｎ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ
道 ）、气 体扩 散 层 、催化 层 、和 质子 交换 膜 （ Ｐ Ｅ Ｍ）
２ ． １ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 电化学 模型
Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的输 出电 压 Ｖ。 。 ｌ 。 受Ｅ 。 Ⅲ （ 热 力 学 电 动 势）、 ｒ ｌ （ 活化 过 电压 ）、 ｒ ｌ （ 欧姆 过 电压 ） 和ｒ ｌ 。 。 （ 浓 差过 电压 ）的影 响 ，如下 式所 示口 ：