摘 要

从上世纪80年代起，PEMFC（质子交换膜燃料电池）就因其具有多种出色的优点渐渐被人们关注起来。虽然它有诸如噪音低、寿命长、零污染、输出电流大、高效率、启动快等等的优点，然而它的输出性能还是会受到许多因素诸如气体压力，温度湿度的影响，尤其是温度。因此一个合理的热管理系统在整个电池系统中有着举足轻重的作用，反之，不当的热管理带来的影响非常恶劣，不仅影响PEMFC的寿命，甚至还可能引发事故。

本文针对燃料电池以PEMFC为例，分析了它的工作原理，探究了影响性能的相关因素以及理论成因。本文采用Simulink的模型搭建对于整个电池系统的热量进行观测和管理，模型包括电堆的化学模型，散热模型，循环水泵以及散热器整个闭路系统，从而了解PEMFC的稳态以及动态性能以及相应的影响因素。

本文采用PID的控制策略，使得系统反应的结果更加准确，最后本文对整个电池系统了设计，从氢气，氧气供应系统到加湿散热系统，完成了电池系统的动态过程响应，为后续的研究提供理论依据。

关键词：PEMFC；热管理；模型分析；电池

Abstract

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is gradually stressed since the 80's, because of its various advantages such as low noise, long life, zero pollution, low operating temperature, large output current, fast start, high efficiency and so on. However, the output performance of the fuel cell is affected by many factors such as gas pressure, temperature, humidity, especially temperature. So a reasonable thermal management system for PEMFC battery system is essential, on the contrary, improper thermal management will not only affect the life of PEMFC, and even lead to accidents.

In this paper, we analyze the operating theory of PEMFC and its corresponding influencing factors . What’s more, simulink model is used to observe and manage the heat of the whole battery system,which includes the chemical model of the stack, the heat dissipation model, the circulating pump and the radiator system, so as to realise the steady state and dynamic performance as well as the corresponding influence.

PID control strategy is used to make the response of the system more accurate. Finally, this paper designs the whole battery system from hydrogen and oxygen supply system to humidification and heat dissipation system, and completes the dynamic response of the battery system , which provides the theoretical basis for the research of fuel cell.

Key words: PEMFC ；Thermal management；Model analysis ；Battery

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目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外对PEMFC的研究现状 1

1.2.1 PEMFC模型 1

1.2.2 PEMFC温度控制 2

1.3本文主要内容以及篇章介绍 2

第2章 PEMFC及热管理系统 3

2.1 PEMFC的介绍 3

2.1.1工作原理 3

2.1.2 PEMFC的主要元件 3

2.1.3 PEMFC电堆 4

2.1.4 影响PEMFC性能的因素 5

2.2 热管理子系统的Simulink模型 6

2.2.1电堆的电化学模型 7

2.2.2电堆热模型 9

2.2.3散热器散热模型 11

2.2.4冷却水泵模型 12

2.2.5节温器模型 14

2.3 仿真分析 14

2.3.1 稳态特性分析 14

2.3.2 动态特性分析 17

第3章 质子交换膜燃料电池热管理系统设计 19

3.1 PEMFC的热管理设计 19

3.1.1 热管理系统的作用 19

3.1.2 热管理系统的控制要求 19

3.2 热管理系统流场以及设备的选型 19

3.2.1 流场的布置 19

3.2.2 冷却水的选择 20

3.2.3循环水泵的选型 20

3.2.4散热器 21

3.3 热管理系统的设计 22

3.4控制策略的设计 23

3.4.1控制策略的设计 23

3.4.2 基于PID的控制策略 24

3.4.3 PID参数设定 25

3.4.4 仿真分析 26

第4章 质子交换膜燃料电池系统整体设计 28

4.1系统整体设计 28

4.2 各系统介绍 28

4.2.1 氢气供给系统 28

4.2.2 氧气供给系统 28

4.2.3 气体热管理系统 29

4.2.4气体加热加湿系统 29

4.2.5阳极背压系统 30

4.2.6控制系统 30

第五章 总结与展望 32

5.1总结 32

5.2展望 32

参考文献 33

附录 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着经济的全球一体化发展，传统资源诸如煤，石油等的消耗越来越严重。放眼全球，对新能源的开发是我们各国当前面临的一大难题。尤其对于我国14亿的人口而言，再加上我们的基本国情-发展中国家以及能源消费大国，目前看来，新能源的应用已经成为影响我国总的GDP发展的重要因素，同时这也是世界各国又一次硬实力的较量，关系到未来世界的格局，总体看来我们对新能源的研究要大步向前。

为了缓解环境污染以及能源危机造成的恶劣局面，各大国家都摩拳擦掌，政府支持各类机构对新能源进行了广泛深刻的研究，从1980年起我国也开展了相关研宄。其中氢能因其零污染的优点受到各大科学家的重点关注，为此基于电化学原理的燃料电池技术，因其零污染，高发电效率吸引了大量的研究者。相比于之前传统的发电方式，燃料电池通过电化学反应的方式将化学能地直接转换为电能，高效环保，这也因此成为新能源的重要组成部分^[1,2]。