PEM 燃料电池系统

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此示例展示如何使用自定义 Simscape™ 模块对质子交换膜 (PEM) 燃料电池电堆进行建模。PEM 燃料电池通过消耗氢气和氧气并产生水蒸气来发电。该自定义模块代表膜电极组件 (MEA)，并连接两个独立的湿空气网络：一个用于阳极气体流，一个用于阴极气体流。

这两个湿空气网络代表不同的气体混合物。阳极网络由氮气 (N2)、水蒸气 (H2O) 和氢气 (H2) 组成，代表燃料。氢气以 70 MPa 的压力储存在燃料罐中。一个减压阀以约 0.16 MPa 的压力将氢气释放到燃料电池电堆中。未消耗的氢气再循环回电堆。阴极网络由氮气 (N2)、水蒸气 (H2O) 和氧气 (O2) 组成，代表来自环境的空气。一个压缩机以受控速率将空气输送到燃料电池电堆，以确保燃料电池不会缺氧。一个背压卸压阀将电堆中的压力保持在约 0.16 MPa，并将废气排放到环境中。

燃料电池电堆中的温度和相对湿度必须保持在最佳水平，以确保在各种负载条件下高效运行。温度升高会提高热效率，但会降低相对湿度，从而导致膜电阻增大。因此，在该模型中，燃料电池电堆温度保持在 80 摄氏度。冷却系统在电池之间循环冷却液以吸收热量，并通过散热器将热量排出到环境中。加湿器用水蒸气使气体饱和，以保持膜的水合作用，并最小化电阻。

自定义 MEA 模块采用 Simscape 代码 FuelCell.ssc 实现。阳极和阴极气体通道管模块的输出端口 F 提供对燃料电池反应进行建模所需的气体摩尔分数。从阳极和阴极气流中去除 H2 和 O2 通过 Controlled Trace Gas Source (MA) 模块实现。H2O 的产生和水蒸气在 MEA 中的输送通过 Controlled Moisture Source (MA) 模块实现。反应产生的热量通过热端口 H 传送到连接的 Thermal Mass 模块。有关该实现的更多详细信息，请参阅代码中的注释。

另请参阅PEM 电解系统示例。

参考文献：

Dutta, Sandip, Sirivatch Shimpalee, and J. W. Van Zee."Numerical prediction of mass-exchange between cathode and anode channels in a PEM fuel cell."International Journal of Heat and Mass Transfer 44.11 (2001):2029-2042.

EG&G Technical Services, Inc. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition).US Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.

Pukrushpan, Jay T., Anna G. Stefanopoulou, and Huei Peng.Control of fuel cell power systems: principles, modeling, analysis and feedback design.Springer-Verlag London, 2004.

Spiegel, Colleen.PEM fuel cell modeling and simulation using MATLAB.Elsevier, 2008.

模型

阳极加湿器子系统

阳极排气子系统

阳极气体通道子系统

阴极加湿器子系统

阴极排气子系统

卸压阀子系统

阴极气体通道子系统

冷却系统子系统

冷却液罐子系统

电负荷子系统

氢气源子系统

减压阀子系统

氧气源子系统

再循环子系统

来自示波器的仿真结果

来自 Simscape 记录的仿真结果

下图显示了电堆中单个燃料电池的电流-电压 (i-v) 曲线。随着电流逐渐增大，由于电极活化损耗，电压有一个初始压降，随后由于欧姆电阻，电压逐渐下降。在接近最大电流时，由于与气体输送相关的损耗，电压出现急剧下降。

下图还显示了电池产生的功率。当选择斜坡场景时，功率增加，直到达到最大功率输出，然后由于接近最大电流的高损耗而降低。

下图显示了燃料电池电堆产生的电力以及阴极空气压缩机和冷却液泵为保持系统稳定高效运行而消耗的功率。因此，系统产生的净功率比电堆产生的功率少几个百分点。请注意，该模型假设了一个等熵压缩机。如果考虑压缩机效率，则净功率增益会再降低几个百分点。

下图还显示了燃料电池电堆产生的多余热量，这些热量必须通过冷却系统去除。燃料电池电堆产生的最大功率为 110 kW。

下图显示了燃料电池的热效率及其反应物利用率。热效率表示燃料电池将氢燃料的能量转化为有用电功的比例。PEM 燃料电池的理论最大热效率为 83%。然而，由于内部损耗，实际热效率在 60% 左右。在接近最大电流时，热效率会降至 45% 左右。

反应物利用率是指流入燃料电池电堆的反应物，H2 和 O2，被燃料电池消耗的比例。虽然更高的利用率可以更好地利用流经燃料电池的气体，但会降低反应物的浓度，从而降低产生的电压。未消耗的 O2 会排放到环境中，但未消耗的 H2 会再循环回阳极以避免浪费。不过，在实际应用中，会定期净化 H2 以去除污染物。