PEM 燃料电池的建模和仿真

质子交换膜或聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池是将氢和氧转化为水和电的装置。它是氢经济的一项非常重要的技术。它在低工作温度下运行，可用于能源生产。这种电池构成了一个电化学系统，由于其反应物而产生电力。虽然 PEM 燃料电池中发生的反应非常复杂，但可以使用计算机系统对其进行模拟。让我们一起探索如何以电子方式重现燃料电池模型。

PEM 燃料电池：概述

PEM燃料电池效率好，工作温度低，未来可在发电中发挥重要作用。它们是目前汽车应用的领先技术。燃料电池是一种将电化学能转化为直流电压形式的电能的装置，其方式与普通电池相同，只是燃料电池必须连续供应反应气体。研究集中在低成本生产技术和最大可能的自主性上。

PEM 燃料电池使用涉及氢和氧的电化学反应来发电。产生的副产品是非常纯净的水。这将对即使在人口稠密地区实现更清洁环境的努力产生重大影响。内部是一个部分可渗透的膜，允许质子通过但阻止电子通过。这被称为“质子交换膜电池”。显示了 PEM 燃料电池的通用工作图，该图还简要描述了其结构。氢通过阳极进入结构并分离成质子和电子。质子通过膜，电子以电流的形式通过膜。氧气从阴极进入电池，并与质子和电子结合，产生水作为副产品和热量。

PEM 燃料电池的运行非常关键，因为它必须严格遵守某些环境和运行参数，包括温度和湿度。低温燃料电池的特点是启动速度快、冻结能力强，以及对温度和压力偏移的鲁棒性。下表列出了一些特性。

典型输出范围1–100 千瓦

可扩展性出色的

调低动态出色的

功率密度出色的

热量质量低的

对污染物的敏感性高的

启动时间快速地

鲁棒性出色的

寿命好的

一些应用

燃料电池可以潜在地用于所有需要小、中或大功率直流发电机的设备。PEM 燃料电池正在被使用并将越来越多地用于汽车领域，以取代需要相对较低温度的传统电池，而 PEM 燃料电池当然可以实现这种可能性。然而，必须记住，氢不是一种能源，而是一种载体——一种储存、运输和以环保方式使用的方式。使用氢并不能解决能源供应问题，而只能解决污染问题。此外，它还可用于为小型电气和便携式设备供电，例如手机和笔记本电脑，尽管目前锂电池更强大、更高效。由于这项技术的潜力非常大，

电气模拟

PEM 燃料电池的特性因模型而异，无法一概而论其行为，但必须参考每个单独的设备来观察其特性。让我们以 H-30 燃料电池堆为例，这是一种非最新设计的现成设备。它具有以下特点：

· 它属于 PEM 类型。

· 它由 14 个单元格组成。

· 它可以提供 30 W 的功率，电流为 3.6 A 和 8.4 V。

· 其最高温度为 55°C。

· 其全功率效率为 40%。

它的功率输出当然不是线性的，而是遵循的 I/V 特性曲线。负载较轻时，器件两端电压较高，属于正常现象。在该图中，可以观察到电压-电流特性曲线(上图)和功率-电流特性曲线(下图)。关于第一张图，最高电压是在没有负载连接到堆栈(0 A)时测量的，而最低电压当然是在最高负载吸收时测量的。

通过实施一个方程来创建 PEM 器件的数学模型，可以很容易地对电压过电流的特性曲线进行“曲线拟合”操作。一个非常好的数学模型，在 0 A 和 5 A 之间的范围内完美运行，但在此范围之外也非常可接受，可能如下：

其中V ( I ) 是 PEM 燃料电池末端电压的相关值，I是流过 PEM 电池以及负载上的电流。

这个数学函数产生以下主要结果，与堆栈上的电压有关：

电流 (A)堆上电压 (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

整个电池堆(或单个电池)实际上可以表示为带有串联电阻 (Rs) 的理想电压发生器 (V1)，以及代表其自然放电的高阻抗并联电阻器 (Rp)。后一个组件在功率模拟中没有实际意义，因为它的价值实际上非常高。然而，串联电阻没有固定值，它的值取决于负载 (R1) 消耗的电流。因此，它是一个方程组，其目的是表征发生器的串联电阻值，以使其静态响应与供应商提供的参数 V/I 曲线相匹配。堆栈在无负载(即开路)的情况下产生 14 V 的最大电压，因此 V1 的理想电压恰好为 14 V。当堆栈施加负载时，该电压会降低，并在其最大输出时达到 8.4 V .

该问题通过根据以下参数计算“cell”节点的电压来解决：

· V1 = 理想电池的固定值(约 14 V)

· V2 = V/I 曲线提供的实际值

· V ( Rs ) = V1 – V2

· Rs = V ( Rs ) /我

由于曲线拟合和非线性回归的另一项复杂工作，可以使用以下等式找到串联电阻(Rs)的可变特性曲线：

这个方程可以简化为规范形式，产生以下与电池串联电阻有关的主要结果，也可以在相关图表中看到：

电流 (A)电池串联电阻(Ω)

0.53.701

12.201

1.51.733

21.551

2.51.469

31.429

3.51.409

41.403

全模拟

当然，仅电气模拟不足以完全描述和再现 PEM 燃料电池的完整行为。还需要使用各种数学模型，这些模型也非常忠实，可以再现例如电化学反应过程中电池堆的温度或压力。众所周知，这些是考虑到许多操作参数的非常复杂的情况。PEM 燃料电池的模型应包括以下领域：

· 电气领域

· 流体域

· 热域

对于其中的每一个，都应该观察大量参数以及静态和动态行为。当然，这些模拟旨在提高性能并增加系统的自主性。仅电池的电气模型是不够的;还需要对构成系统的所有组件进行完整的尺寸标注。许多公司已经制作了模型库，使设计师和工程师能够模拟燃料电池。其中一些非常简单，允许以总结和快速的方式确定系统尺寸，使设计人员有可能开始进行通用设计。其他库更复杂和详细，包括几个附加参数。有了这些，就可以分析能量发生器，以电路中的 PEM 燃料电池为代表，最重要的是，评估电池达到的 V/I 曲线和温度。根据以下等式，氧化过程在阳极上进行，另一方面，还原过程发生在阴极上，整体反应如下：

有趣的是，如上图所示，电压密度与电流曲线的特征形状。请注意，在负载电流非常低时存在电压“拐点”。当电池处于开路状态且未连接负载时，其两端的电压为 1.23 V。至少在电流本身的最小和最大限制范围内，完美描述电压过电流特性曲线的方程可能如下所述。

其中f ( x ) 表示单个电池两端的电压，x表示流过电池的电流。

单个 PEM 燃料电池通常不足以为大多数设备供电。有必要将许多元件串联起来以达到所需的功率水平。这种连接是通过双极板实现的，双极板允许一个电池与另一个电池相连，在一个电池中用作阳极集电器，在相邻电池中用作阴极集电器。使用以下公式很容易计算 PEM 燃料电池堆可以提供的总功率：

其中P e是总功率，V c是单个电池的电压，I是流过电路的电流，n是使用的电池数量。

在 PEM 燃料电池中，聚合物电解质中必须存在足够(但不能过多)的水，以确保良好的质子传导性。如果温度很高，则必须非常小心地控制。湿度必须高于 80% 以避免干燥，但低于 100% 以避免水堵塞电极。

结论

氢电池无疑是能源的未来。氢气是一种无色、无味、无味且易燃的物质(高浓度时也可能发生爆炸)。排出的气体可能非常热，并可能造成潜在的烧伤危险。吸入氢气也会导致意识丧失和窒息。使用氢气发生器时，必须在相关文件中提供所有安全规定，其中还规定了行为规则，例如在操作过程中禁止触摸燃料电池板或电气元件的规定。