两种分块化PEMFC模型的仿真比较分析

两种分块化PEMFC模型的仿真比较分析

Comparative Analysis of Simulations of Two Segmented Models for Proton Exchange Membrane Fuel Cell

中文关键词:  质子交换膜燃料电池  分块化  建模  仿真

作者                           单位                                                                                                             E-mail
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中文摘要:
分块化方法是将单片质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）沿阳极和阴极流道划分成15个连续的子模块；然后将每个子模块视为1个独立的PEMFC集总模型，用第n个子模块的输出（即气体摩尔流量和压力）作为第n+1个子模块的输入；最终获得单片PEMFC内部的电流密度分布和膜中水含量分布。基于此建模方法，分别建立了稳态和动态的分块化PEMFC仿真模型。仿真结果对比表明，动态分块化PEMFC模型不仅能预测电流密度分布和膜中水含量分布，还能较为合理地描述PEMFC的动态特性。

内容节选：
质子交换膜燃料电池 PEMFC（proton exchangemembrane fuel cell）因其高效率和无污染的特性，被认为是最有潜力的新型移动能源之一[1-2]。 但由于其内部的复杂反应和传输现象难以进行实时监测，且测试设备昂贵，一些研究人员和机构试图通过建立PEMFC 的数学模型来研究其内部的物质传输与分布[3-4]。 其中，对 PEMFC 内部水分布和电流密度分布的研究对探索其性能具有重要意义。
PEMFC 内部的反应物浓度沿着气体流道方向变化，因此会导致电池反应区域上电流密度和膜中水含量的分布存在差异[5-6]。 Um 等[7]对 PEMFC 建立了 1 个计算流体动力学 CFD（computational fluid dy-namics）模型来分析电流密度在空间上的分布；Wang等[8]也建立了 1 个三维 CFD 模型来研究单电池处于稳定状态时电池内液态水的累积；Nguyen 等[9]建立的 CFD 模型使用电压对电流算法求解局部活化电势， 能更准确地预测局部电流密度分布。 这些CFD 模型虽然能较详尽地体现 PEMFC 内部的物质分布，但大多是基于 CFD 软件工具包建立，并不适用于动态的控制系统。 为了建立 1 个既能够体现PEMFC 内部的物质分布和动态响应特性， 又可以用于系统级仿真及控制系统之中的足够简单的模型，Mueller 等[10]在 Simulink 环境下建立了准三维面向控制的 PEMFC 模型， 它能够显示电池内部的电流密度、气体摩尔分数和温度分布；Kang 等[11-12]延续 Mueller 等的研究， 分别建立了动态的准三维单相流和两相流模型来研究 PEMFC 内部的过电势变化及物质分布情况；密西根大学的 Chen 等[13]建立了1 个分块化的稳态 PEMFC 数学模型，研究了液态水在气体扩散层 GDL（gas diffusion layer）中的累积，以及膜中水含量的分布， 但它只是稳态分析模型，并不能用于控制系统设计。
本文基于分块化的建模思想，分别建立了稳态和动态的分块化 PEMFC 模型， 目的在于探讨 2 种模型在相同工作条件下的PEMFC 性能差异。  

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