摘 要

氢燃料电池也叫质子交换膜燃料电池，它是近几年发展起来的一种高效，环保的一种电源装置。其名称就是由其反应原理而来，它是以氢气氧气为原料，在装置内部发生氧化还原反应，从而使燃料的化学能转化为电能，以此来作为一种供电装置，燃料电池由阳极、阴极和中间的质子交换膜组成,其中发生反应时，氢气在阳极发生氧化反应，失去电子变为氢离子，而氧气在阴极发生还原反应，跟氢离子以及电子反应生成水。此处质子交换膜的作用是只允许离子通过，反应完成之后，氢气所在的阳极成为电池装置的负极，而氧气发生反应的场所成为电源的正极。以此来作为直流电源供电，此处我们注意到，整个化学反应结束后反应产物只有水，所以我们可以总结出氢燃料电池的优点，对环境无污染，能量转换率即反应效率高，而且反应的氧气从空气中获得，氢气也比较好制备，原料来源广泛等等。所以对其的研究和开发渐渐成为当今世界研究的焦点。但知道反应原理只是第一步，我们还需要更加详细地了解燃料电池内部的反应机理及其性能，为了能够更好的研究其性能特性,我们需要对燃料电池建立数学模型,利用计算机软件对其进行仿真分析,通过改变燃料电池的外部工作条件,参数等得出仿真曲线,从而总结出电池系统的性能,以此来为电池的选择，改进和优化提供准确的理论依据。这种研究方法能够更深入的了解其反应机理和内部反应过程,具有重要的研究意义和广泛的应用前景。本文简要介绍了燃料电池的发展历史现状,简述了几种常用的燃料电池的类型、电池特征以及其应用领域;通过对比得出氢燃料电池的优点,从而证实了本次论文研究的必要性。此外本文还概述了质子交换膜燃料电池建模仿真研究现状;重点介绍了的电池反应的基本原理及其内部几个重要组成部件的工作机理和主要功能;在前人研究和具体分析其内部工作机理的基础上引出了氢燃料电池的基本数学模型,结合燃料电池反应的热力学和电化学理论，在matlab/simulink中建立了质子交换膜燃料电池的数学模型,并在仿真软件中建立了的动态仿真模型块,主要分析了电池负载的变化、阳极氢气和阴极氧气分压力以及其他外部条件的改变下燃料电池的动态特性。根据这些结论可以对PEMFC的操作条件进行优化设定。本文还考虑了其电化学动态模型,通过自定义输入信号源作为外加负载,此文中具体为一个阶跃递增的电流密度信号，进行仿真从而分析了PEMFC的动态响应特性。这种模型能很好的反应电池的性能,对电池的设计以及选择有很好的指导意义。

关键词：质子交换膜燃料电池；动态特性；建模；仿真；Simulink

Abstract

Hydrogen fuel cell, also known as proton exchange membrane fuel cell, is an efficient and environmentally friendly power supply device developed in recent years. Its name is based on its reaction principle, it is based on hydrogen and oxygen as raw materials, redox reaction occurs in the device, so that the chemical energy of the fuel can be converted into electric energy, which is used as a power supply device, and the fuel cell is made of anode. The cathode is composed of the proton exchange membrane in the middle, in which hydrogen oxidizes at the anode and loses electrons into hydrogen ions, while oxygen reacts in the cathode and reacts with hydrogen ions and electrons to form water. Here, the role of proton exchange membranes is only After the ion is allowed to pass through, the anode where hydrogen is located becomes the negative electrode of the battery device, and the place where oxygen reacts becomes the positive pole of the power supply. As a DC power supply, we note here that there is only water in the reaction product after the whole chemical reaction is over, so we can sum up the advantages of hydrogen fuel cell, which is no pollution to the environment, and the energy conversion rate is high in reaction efficiency. And the oxygen obtained from the air, hydrogen is also better prepared, a wide range of raw materials and so on. Therefore, the research and development of it has gradually become the focus of research in the world. But knowing how the reaction works is only the first step, and we need to go into more detail. To understand the reaction mechanism and performance of fuel cell in detail, in order to study its performance characteristics better, we need to establish mathematical model of fuel cell and use computer software to simulate and analyze it. By changing the external working conditions and parameters of the fuel cell, the simulation curve is obtained, and the performance of the battery system is summarized, so as to provide an accurate theoretical basis for the selection, improvement and optimization of the battery. This method can understand the reaction mechanism and internal reaction process more deeply, and has important research significance and wide application prospect. In this paper, the development history of fuel cells is briefly introduced, and several kinds of fuel cells are briefly described. The types, characteristics and application fields of common fuel cells are compared, and the advantages of hydrogen fuel cells are obtained, which proves the necessity of this paper. In addition, the present situation of modeling and simulation of proton exchange membrane fuel cell is summarized, and the basic principle of cell reaction and the working mechanism and main functions of several important components are introduced in detail. On the basis of previous research and concrete analysis of its internal working mechanism, the basic mathematical model of hydrogen fuel cell is introduced. combined with the thermodynamics and electrochemical theory of fuel cell reaction, proton exchange membrane combustion is established in matlab/simulink. The mathematical model of material cell and the dynamic simulation model block established in the simulation software are mainly analyzed under the change of battery load, the pressure of anode hydrogen and cathode oxygen, and other external conditions. According to these conclusions, the operating conditions of PEMFC can be optimized. In this paper, the electrochemical dynamic model is also considered, and the dynamic response characteristics of PEMFC are analyzed by using the custom input signal source as the external load, which is a step increasing current density signal. This model can well reflect the performance of the battery, the design and selection of the battery. Selection has a good guiding significance.

Key Words：PEMFC；Dynamic characteristics；Modeling；Simulalion；Simulink

目 录

第1章 绪论 1

1.1 能源现状 1

1.2 燃料电池 2

1.2.1 燃料电池的发展历史及现状 3

1.2.1 燃料电池的分类 3

1.3 课题的意义及主要研究内容 4

第2章 燃料电池的工作原理及组成 6

2.1 质子交换膜燃料电池基本原理 6

2.2 质子交换膜燃料电池的组成 7

2.2.1电解质膜 7

2.2.2膜电极组 8

2.2.3双极板 9

2.2.4 加热板或冷却板 9

第3章 PEMFC的动态特性仿真 10

3.1 PEMFC动态模型的研究意义 10

3.2 PEMFC电化学动态模型 10

3.3 阴极流道模型 11

3.4 阳极流道模型 13

3.5 模型的假设条件及原理分析 13

3.5.1 假设条件 13

3.5.2 燃料电池的电压损失 14

3.6 本章小结 18

第4章 PEMFC动态模型的建立及仿真 20

4.1 MATLAB/SIMULINK软件 20

4.1.1 MATLAB 20

4.1.2 SIMULINK 20

4.2 基于MATLAB/SIMULINK质子交换膜的仿真模型的建立 22

4.3 PEMFC的动态仿真参数 28

4.4 PEMFC燃料电池的动态仿真结果分析 28

4.5本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致 谢 36

1. 绪论

1.1能源现状

人类的生存与发展和能源有着千丝万缕的关系,人类的一切社会活动和生存都依赖于能源,可以说能源就是我们人类赖以生存的保证。能源的开发和利用大大地推动了人类社会的发展，促进了世界经济的发展与繁荣。我国经济近十年发展迅速，靠的也是能源的消耗，而西方发达国家最早完成了工业化，早于我国几十年，他们的发展更是完全依赖于能源的消耗，所以世界能源在近几十年的消耗量是一个巨大的数字，而且国家的发展还在继续，随着国家的工业化不断迈进，能源消耗增加变成了必然结果。能源消耗给国家，世界经济带来了繁荣，中国是世界上人口最多的国家，能源消耗十分巨大。中国地大物博，资源丰富，中国的资源不但自己使用，还用来出口，所以中国现在已经是世界上第一大能源生产国和消费国。中国目前已经变成世界能源市场的及其重要的组成部分,在全球能源结构中正在发挥着越来越重要的作用。

化石能源是由远古生物的尸体经过沉积而来，属于一次能源，也就是不可再生的能源，主要包括三种，煤，石油，和天然气。这三种化石能源占了世界能源使用的大部分。经过一定的调查发现，当前全世界能源消耗中，煤，石油、天然气等化石能源消耗占比为百分之九十，我国化石能源消耗更是占比百分之九十三，,其余的替代化石能源的新能源包括核能、太阳能、水力、风能、潮汐能、地热等能源仅占百分之十^[5]。而且它们中的一些能源的制备还要靠原始化石能源来支撑。由于化石能源价格比较便宜,在当今时代工业化以及全部完成，所以其开发利用的技术也相对已经发展成熟,虽然现在很多国家已经意识到能源问题的严峻性发，这些国家都想尽办法来摆脱对传统化石能源的过度依赖,但是在今后几十年里,石油仍然是最为主要的能源,各国对其的需求还是不能减少，天然气也是一种重要的燃料，主要用来燃烧和给大型机械供能。需求量每年都在上涨，由此可见化石能源仍然是这个世界上人类赖以生存和发展的能源基础。

化石能源作为能源主体，是不可再生的,而且照着现在全球化石能源的使用量跟增长速度，传统的能源迟早会枯竭，我们知道中东地区包括沙特阿拉伯，伊拉克等是石油生产大国，俄罗斯是天然气生产大国，包括中国在内的一些国家是煤炭的生产大国，但是这些国家对于这些资源的开采以及变得十分谨慎，一些传统的能源出口国甚至需要进口一些盛产的能源来救急或者储备，这就意味着人们已经对资源枯竭有了很深的危机感。而且随着能源的不断开采，对地形环境要求更高了，也导致开采的难度越来越大，投资也不断增加，近年来国际市场原油油价格持续上涨,也成为了这种危机感的有力证据。

同时，化石燃料的燃烧给环境带来了很大的影响，这样的能源结构给生态系统造成了很大的负担，主要表现为化石能源燃烧不充分会散发出有毒气体，还会带来酸雨，臭氧层的破坏从而导致紫外线的直接照射给认的皮肤带来巨大影响，还有就是化石燃料的燃烧会排放温室气体CO2，是全球变暖的重要原因，从而带来一系列的环境问题，很多国家的发展理念就是先发展后治理，不管环境的影响先把经济发展上去，然后再花费更大的价钱来修复自然环境，这样的理念是不对的，绿水青山就是金山银山，我们不但消耗了后代赖以生存的能源，还给他们带来了一系列环境问题，现在，在许多发展中国家的环境污染问题已经到了一个十分严重的程度，由于环境问题所造成的损失每年高达近百亿美元^[9]。可见为了发展牺牲环境是得不偿失的。我国以煤炭、石油为主要化石能源的能源结构也造成了严重的大气污染,据统计，我国由于人口众多，化石能源使用甚至高于了世界平均水平，二氧化硫和二氧化碳的排放量都居世界前列。

于是,基于以上考虑，人们开始寻找一种优质新能源来取代化石能源成为能源结构的另一选择,氢能是世界公认的清洁能源,作为一种无污染，燃烧率高，制备简单的能源在众多能源中脱颖而出，目前我国十分重视氢能在未来能源结构中的作用，经过不懈的努力，我国在氢能领域的研究已经取得了突破性的进展，在这方面的部分技术以及走在世界前列，而且我国近些年大力发展氢能源汽车，取得了较大的进展，有望在今后的十几年里率先突破新能源汽车续航的问题，从而在此领域建立起领先地位。

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