PEMFC氢氧质子交换燃料电池MATLAB仿真模型

氢氧燃料电池静态模型：

（1）热力学电动势En

 （2）活化极化过电势Vact

活化损失主要是因为电极表面的反应速度过慢，在驱动电子传递到或者传送出电极的化学反应时，部分电压会被消耗。

 （3）欧姆极化过电势

欧姆极化过电势主要由质子交换膜的等效膜阻抗和阻止质子通过质子交换膜的阻抗产生

 （4）浓差极化过电势

浓度损失是由于燃料在使用的时候，电极表面反应物的浓度发生变化导致的。

 另外还包含燃料电池电堆输出电压、燃料电池效率和输出功率

系统完整模型：

静态模型使用说明：

（1）

因为不同的燃料电池所使用的参数不一样，所以下面这几个参数是需要自己设置的。

图1-2

（2）

图1-3

Simulink中所有曲线图的横坐标都是时间，而图1-3所示的模块是让电流密度与时间呈一一对应的关系，即时间为1s时电流密度是1mA/cm2，时间是100s时电流密度是100mA/cm2，这样的话，输出功率、输出电压曲线的横坐标轴就都是电流密度。以下面的输出电压曲线为例，横坐标轴就是电流密度，该图表示的就是燃料电池不同电流密度下的输出电压。

输出功率、效率等曲线图同理，它们的横坐标轴都是电流密度。

图1-4

当然，如果只想看某一个电流密度下电池的输出电压、输出功率等，可以将图1-3变成下面的样子（以200 mA/cm2为例）：

图1-4

运行之后，我们再看输出电压曲线图，如图1-5所示，这个时候的横轴就是时间。

图1-5

氢氧燃料电池动态模型

 

动态模型使用说明：

当涉及到电流密度变化的时候，就可以使用动态模型。氢气有效分压、氧气有效分压、电堆工作温度、质子交换膜面积和厚度、单电池数量确定之后，燃料电池的输出就只跟电流密度有关。

模型中展示了一种电流密度突变的情况，即电流密度在10s时由200 mA/cm2突变至400 mA/cm2，输出电压变化情况如下，可以发现其输出会有0.2s左右的响应时间。

 

 最后，以上都是最最基本的示范和使用说明，模型具体要怎么用，还要看自己的想法和需求。

参考文献：

[1]        D. Hu, Y. Wang, J. Li, Q. Yang, J. Wang. Investigation of optimal operating temperature for the PEMFC and its tracking control for energy saving in vehicle applications. Energy Conversion and Management, 2021, 249: 114842

[2]        J.M. Correa, F.A. Farret, L.N. Canha, M.G. Simoes. An electrochemical-based fuel-cell model suitable for electrical engineering automation approach. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51 (5): 1103-1112

[3]        R.F. Mann, J.C. Amphlett, M.A.I. Hooper. Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell. Journal of Power Sources, 2000, 86 (1): 173-180

[4]        M. Pan, C. Li, J. Liao, H. Lei, C. Pan, X. Meng, H. Huang. Design and modeling of PEM fuel cell based on different flow fields. Energy, 2020, 207: 118331