PEM 燃料電池的建模和仿真

質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜 (PEM) 燃料電池是將氫和氧轉(zhuǎn)化為水和電的裝置。它是氫經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。它在低工作溫度下運(yùn)行，可用于能源生產(chǎn)。這種電池構(gòu)成了一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)，由于其反應(yīng)物而產(chǎn)生電力。雖然 PEM 燃料電池中發(fā)生的反應(yīng)非常復(fù)雜，但可以使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行模擬。讓我們一起探索如何以電子方式重現(xiàn)燃料電池模型。

PEM 燃料電池：概述

PEM燃料電池效率好，工作溫度低，未來可在發(fā)電中發(fā)揮重要作用。它們是目前汽車應(yīng)用的領(lǐng)先技術(shù)。燃料電池是一種將電化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電壓形式的電能的裝置，其方式與普通電池相同，只是燃料電池必須連續(xù)供應(yīng)反應(yīng)氣體。研究集中在低成本生產(chǎn)技術(shù)和最大可能的自主性上。

PEM 燃料電池使用涉及氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。產(chǎn)生的副產(chǎn)品是非常純凈的水。這將對即使在人口稠密地區(qū)實(shí)現(xiàn)更清潔環(huán)境的努力產(chǎn)生重大影響。內(nèi)部是一個(gè)部分可滲透的膜，允許質(zhì)子通過但阻止電子通過。這被稱為“質(zhì)子交換膜電池”。顯示了 PEM 燃料電池的通用工作圖，該圖還簡要描述了其結(jié)構(gòu)。氫通過陽極進(jìn)入結(jié)構(gòu)并分離成質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過膜，電子以電流的形式通過膜。氧氣從陰極進(jìn)入電池，并與質(zhì)子和電子結(jié)合，產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品和熱量。

PEM 燃料電池的運(yùn)行非常關(guān)鍵，因?yàn)樗仨殗?yán)格遵守某些環(huán)境和運(yùn)行參數(shù)，包括溫度和濕度。低溫燃料電池的特點(diǎn)是啟動(dòng)速度快、凍結(jié)能力強(qiáng)，以及對溫度和壓力偏移的魯棒性。下表列出了一些特性。

典型輸出范圍1–100 千瓦

可擴(kuò)展性出色的

調(diào)低動(dòng)態(tài)出色的

功率密度出色的

熱量質(zhì)量低的

對污染物的敏感性高的

啟動(dòng)時(shí)間快速地

魯棒性出色的

壽命好的

一些應(yīng)用

燃料電池可以潛在地用于所有需要小、中或大功率直流發(fā)電機(jī)的設(shè)備。PEM 燃料電池正在被使用并將越來越多地用于汽車領(lǐng)域，以取代需要相對較低溫度的傳統(tǒng)電池，而 PEM 燃料電池當(dāng)然可以實(shí)現(xiàn)這種可能性。然而，必須記住，氫不是一種能源，而是一種載體——一種儲(chǔ)存、運(yùn)輸和以環(huán)保方式使用的方式。使用氫并不能解決能源供應(yīng)問題，而只能解決污染問題。此外，它還可用于為小型電氣和便攜式設(shè)備供電，例如手機(jī)和筆記本電腦，盡管目前鋰電池更強(qiáng)大、更高效。由于這項(xiàng)技術(shù)的潛力非常大，

電氣模擬

PEM 燃料電池的特性因模型而異，無法一概而論其行為，但必須參考每個(gè)單獨(dú)的設(shè)備來觀察其特性。讓我們以 H-30 燃料電池堆為例，這是一種非最新設(shè)計(jì)的現(xiàn)成設(shè)備。它具有以下特點(diǎn)：

· 它屬于 PEM 類型。

· 它由 14 個(gè)單元格組成。

· 它可以提供 30 W 的功率，電流為 3.6 A 和 8.4 V。

· 其最高溫度為 55°C。

· 其全功率效率為 40%。

它的功率輸出當(dāng)然不是線性的，而是遵循的 I/V 特性曲線。負(fù)載較輕時(shí)，器件兩端電壓較高，屬于正常現(xiàn)象。在該圖中，可以觀察到電壓-電流特性曲線(上圖)和功率-電流特性曲線(下圖)。關(guān)于第一張圖，最高電壓是在沒有負(fù)載連接到堆棧(0 A)時(shí)測量的，而最低電壓當(dāng)然是在最高負(fù)載吸收時(shí)測量的。

通過實(shí)施一個(gè)方程來創(chuàng)建 PEM 器件的數(shù)學(xué)模型，可以很容易地對電壓過電流的特性曲線進(jìn)行“曲線擬合”操作。一個(gè)非常好的數(shù)學(xué)模型，在 0 A 和 5 A 之間的范圍內(nèi)完美運(yùn)行，但在此范圍之外也非?？山邮埽赡苋缦拢?

其中V ( I ) 是 PEM 燃料電池末端電壓的相關(guān)值，I是流過 PEM 電池以及負(fù)載上的電流。

這個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)產(chǎn)生以下主要結(jié)果，與堆棧上的電壓有關(guān)：

電流 (A)堆上電壓 (V)

0.512.45

112.04

1.511.71

211.24

2.510.66

310.02

3.59.34

48.65

4.57.96

57.26

整個(gè)電池堆(或單個(gè)電池)實(shí)際上可以表示為帶有串聯(lián)電阻 (Rs) 的理想電壓發(fā)生器 (V1)，以及代表其自然放電的高阻抗并聯(lián)電阻器 (Rp)。后一個(gè)組件在功率模擬中沒有實(shí)際意義，因?yàn)樗膬r(jià)值實(shí)際上非常高。然而，串聯(lián)電阻沒有固定值，它的值取決于負(fù)載 (R1) 消耗的電流。因此，它是一個(gè)方程組，其目的是表征發(fā)生器的串聯(lián)電阻值，以使其靜態(tài)響應(yīng)與供應(yīng)商提供的參數(shù) V/I 曲線相匹配。堆棧在無負(fù)載(即開路)的情況下產(chǎn)生 14 V 的最大電壓，因此 V1 的理想電壓恰好為 14 V。當(dāng)堆棧施加負(fù)載時(shí)，該電壓會(huì)降低，并在其最大輸出時(shí)達(dá)到 8.4 V .

該問題通過根據(jù)以下參數(shù)計(jì)算“cell”節(jié)點(diǎn)的電壓來解決：

· V1 = 理想電池的固定值(約 14 V)

· V2 = V/I 曲線提供的實(shí)際值

· V ( Rs ) = V1 – V2

· Rs = V ( Rs ) /我

由于曲線擬合和非線性回歸的另一項(xiàng)復(fù)雜工作，可以使用以下等式找到串聯(lián)電阻(Rs)的可變特性曲線：

這個(gè)方程可以簡化為規(guī)范形式，產(chǎn)生以下與電池串聯(lián)電阻有關(guān)的主要結(jié)果，也可以在相關(guān)圖表中看到：

電流 (A)電池串聯(lián)電阻(Ω)

0.53.701

12.201

1.51.733

21.551

2.51.469

31.429

3.51.409

41.403

全模擬

當(dāng)然，僅電氣模擬不足以完全描述和再現(xiàn) PEM 燃料電池的完整行為。還需要使用各種數(shù)學(xué)模型，這些模型也非常忠實(shí)，可以再現(xiàn)例如電化學(xué)反應(yīng)過程中電池堆的溫度或壓力。眾所周知，這些是考慮到許多操作參數(shù)的非常復(fù)雜的情況。PEM 燃料電池的模型應(yīng)包括以下領(lǐng)域：

· 電氣領(lǐng)域

· 流體域

· 熱域

對于其中的每一個(gè)，都應(yīng)該觀察大量參數(shù)以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為。當(dāng)然，這些模擬旨在提高性能并增加系統(tǒng)的自主性。僅電池的電氣模型是不夠的;還需要對構(gòu)成系統(tǒng)的所有組件進(jìn)行完整的尺寸標(biāo)注。許多公司已經(jīng)制作了模型庫，使設(shè)計(jì)師和工程師能夠模擬燃料電池。其中一些非常簡單，允許以總結(jié)和快速的方式確定系統(tǒng)尺寸，使設(shè)計(jì)人員有可能開始進(jìn)行通用設(shè)計(jì)。其他庫更復(fù)雜和詳細(xì)，包括幾個(gè)附加參數(shù)。有了這些，就可以分析能量發(fā)生器，以電路中的 PEM 燃料電池為代表，最重要的是，評估電池達(dá)到的 V/I 曲線和溫度。根據(jù)以下等式，氧化過程在陽極上進(jìn)行，另一方面，還原過程發(fā)生在陰極上，整體反應(yīng)如下：

有趣的是，如上圖所示，電壓密度與電流曲線的特征形狀。請注意，在負(fù)載電流非常低時(shí)存在電壓“拐點(diǎn)”。當(dāng)電池處于開路狀態(tài)且未連接負(fù)載時(shí)，其兩端的電壓為 1.23 V。至少在電流本身的最小和最大限制范圍內(nèi)，完美描述電壓過電流特性曲線的方程可能如下所述。

其中f ( x ) 表示單個(gè)電池兩端的電壓，x表示流過電池的電流。

單個(gè) PEM 燃料電池通常不足以為大多數(shù)設(shè)備供電。有必要將許多元件串聯(lián)起來以達(dá)到所需的功率水平。這種連接是通過雙極板實(shí)現(xiàn)的，雙極板允許一個(gè)電池與另一個(gè)電池相連，在一個(gè)電池中用作陽極集電器，在相鄰電池中用作陰極集電器。使用以下公式很容易計(jì)算 PEM 燃料電池堆可以提供的總功率：

其中P e是總功率，V c是單個(gè)電池的電壓，I是流過電路的電流，n是使用的電池?cái)?shù)量。

在 PEM 燃料電池中，聚合物電解質(zhì)中必須存在足夠(但不能過多)的水，以確保良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性。如果溫度很高，則必須非常小心地控制。濕度必須高于 80% 以避免干燥，但低于 100% 以避免水堵塞電極。

結(jié)論

氫電池?zé)o疑是能源的未來。氫氣是一種無色、無味、無味且易燃的物質(zhì)(高濃度時(shí)也可能發(fā)生爆炸)。排出的氣體可能非常熱，并可能造成潛在的燒傷危險(xiǎn)。吸入氫氣也會(huì)導(dǎo)致意識喪失和窒息。使用氫氣發(fā)生器時(shí)，必須在相關(guān)文件中提供所有安全規(guī)定，其中還規(guī)定了行為規(guī)則，例如在操作過程中禁止觸摸燃料電池板或電氣元件的規(guī)定。