李峰勛+李振哲

摘 要： 質子交換膜燃料電池廣泛應用于混合動力汽車中，由其無污染特性收到研究者的關注。首先，基于質子交換膜燃料電池特性，我們研究了質子交換膜燃料電池方針數(shù)學模型。然后，對系統(tǒng)特性做了一些介紹。

關鍵詞： 渦輪發(fā)動機；熱障陶瓷系統(tǒng)；熱生長氧化層

本課題研究由國家自然科學基金（項目編號：51401100）、浙江省自然科學基金（項目編號：LY16E050006）、溫州市科技計劃項目（項目編號：G20150010）資助。

1. 引言

燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。由于化學反應過程中的能量轉換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉換效率可達60%～70%，其實際使用效率則是普通內燃機的2倍左右。能量轉換效率高是燃料電池的主要特點之一。而質子交換膜燃料電池具有無污染、高效率、低噪聲、可快速補充能量、具有模塊化結構等特點，是燃料電池中替代傳統(tǒng)內燃機的最理想的動力源，很適合作為車輛的動力源，順應了新能源汽車的技術要求[1，2]。

雖然質子交換膜燃料電池作為電動汽車的動力源具有很多優(yōu)點，但它在汽車上的應用還有待進一步的深入研究。質子交換膜燃料電池動態(tài)響應具有一定的時滯，當電動汽車所需功率波動時，質子交換膜燃料電池的輸出功率需經過一段時間的調整才能適應負載的變化；當電動汽車中的驅動電機回饋制動時，必須吸收電機回饋的電能，以節(jié)約能量，增加汽車持續(xù)行駛時間，而質子交換膜燃料電池不支持能量的雙向流動，不能吸收電機制動過程中產生的動能。所以動力系統(tǒng)中需要一個其它蓄電裝置與質子交換膜燃料電池互補，共同為負載供電，在保證汽車運行性能的前提下，提高能源利用率。顯然，解決這些問題的關鍵在于更精確地掌握質子交換膜燃料電池機理以求優(yōu)化并控制其適應啟動、加速、巡航行駛、減速制動等多個運行狀態(tài)。

首先，基于燃料電池特性，我們研究了質子交換膜燃料電池方針數(shù)學模型。然后，對系統(tǒng)特性做了一些介紹。

2. 燃料電池模型

基于系統(tǒng)特性， 我們開發(fā)了質子交換膜燃料電池堆瞬態(tài)模型。質子交換膜燃料電池堆瞬態(tài)模型包括6個部分：陰極質量流模型、陽極質量流模型、膜的水含模型、燃料電池堆電壓模型、陽極氣體擴散層模型、陰極氣體擴散層模型[3]。表1表示仿真中用到的重要參數(shù)。

3. 實驗研究及系統(tǒng)特性

為了提高仿真精度，做了一些實驗研究。本實驗包括三個控制部分：第一為電化學反應部分，包括氧氣量以及壓力等；第二為可變電容的控制，管理水的產量：第三為控制冷卻葉片，管理燃料電池系統(tǒng)溫度。一個燃料電池的功率為1.2KW， 工作電壓在22和50 V之間變化。初始的電壓來至蓄電池。試驗中觀察的參數(shù)是燃料電池堆電流和電壓。

燃料電池堆電壓模型代表著燃料電池堆特性，因此被用于測量參數(shù)。如圖1和圖2所示，基于實驗數(shù)據驗證了模型精度。

4. 結論

本文簡單介紹了質子交換膜燃料電池系統(tǒng)，并對仿真模型做了詳細的介紹?；诜抡婺Ｐ停疚膶ο到y(tǒng)特性做了一些介紹。基于仿真模型可以進一步了解質子交換膜燃料電池系統(tǒng)特性。

參考文獻

[1] 陳全世， 仇斌， 謝起成等， 燃料電池電動汽車[M]， 北京： 清華大學出版社， 2005.

[2] 葛善海， 農寶廉， 徐洪峰， 質子交換膜燃料電池水傳遞模型[J]， 化工學報， 1999， 50（1）： 39-48.

[3] Xuan D. J.， Li Z. Z.， Kim J. W.， Kim Y. B.， Optimal operating points of PEM fuel cell stack model with a RSM[J]， Journal of Mechanical Science and Technology， 2009， 23（3）： 717-728.endprint