质子交换膜燃料电池动态等效电路模型现状与展望.docx

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1、质子交换膜燃料电池动态等效电路模型现状与展望田浩(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070)摘要：在对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究中，用于描述其动态特性的等效电路模型有着重要的作用。可以通过理论或实验的方法得到不同的等效电路模型。对等效电路模型的基本现状进行介绍以后，提出其发展方向应当是：在与理论充分地结合这一前提下具备更广泛的通用性，并且可以准确地反映出PEMFC系统中各有关参数之间的联系。关键词：燃料电池；等效电路模型；动态1. 引言到目前为止，用于描述PEMFC动态电气特性的等效电路模型已可见于多份文献c,3s,21o这样的模型常常用于考察和分析PEMFC运行时对负载变化的

2、动态响应特性，在系统的研究与设计中有着重要的作用。因此，对目前已知的主要的等效电路模型进行归纳和比较，有利于了解其优点和不足，明确未来的发展方向。2. 等效电路模型在大多数文献中，PEMFC的等效电路模型是以戴维宁(Th6venin)模型为参照建立的。通常情况下”型甸，PEMFC单体的戴维宁等效电路由图1中的电压源反皿，欧姆极化等效电阻兄2活化极化等效电阻心t和双电荷层等效电容。组成。个别文献中的电路在结构上不同。一些文献提出浓度极化等效电阻兄曲可以与几，串联在同一条支路中。需要指出，几和人nc实际上是不存在的，它们分别代表活化过电压4s和浓度过电压%M与PEMFC工作电流i的比值。Rona1

3、dFMann和JohnCAmph1ett等人对于反刖、UaCt、Ug和心I.等参数的研究往往成为确定模型中有关数值的参考依据6,在这样的等效电路模型中，动态响应特性由描述电路的微分方程体现。从电力电子学的角度来考虑，DachuanYu和SYUvarajan尝试了用晶体二极管和三极管等非线性电子元件来构造PEMFC的等效电路模型。另一方面，采用交流阻抗法等实验方法进行测量，也可得出等效电路中存在感抗成分必”1用于表示这一成分的等效电感/串联在等效电路的主回路中。事实上，若要完全拟合采用阻抗波谱法测定的结果以确定等效电路模型可能会因为实验中的测量误差等原因使其失去通用性，只能用于精确表达该实验中所

4、测定的PEMFC的等效电路。图1常见的PEMFC戴维宁等效电路现有模型普遍存在的一个主要问题是：如何准确全面地反映出工作温度和压强等参数的变化对PEMFC动态特性的影响。若考虑短时间内的负载变化带来的瞬时动态响应，假定恒温恒压操作并不会带来与实际情况之间的明显差异。但在较长的一段时间中，供气流量、压强、工作温度等参数的变化显然会改变等效电路中的有关参数。在这样的情形下，除非在仿真中假定采取了良好的控制管理策略而使其变化和影响能够被限制在足够小的可忽略范围之内，否则必须考虑引入符合实际的方程来定量描述温度、压强等运行条件与等效电路中有关参数的准确关系。例如，利用守恒关系可以得出描述此类关系的基本

5、方程母，在其他的文献中，一般以假定恒温恒压操作为前提，在建立模型时将它们设为常数。3. 展望随着PEMFC发电系统研究进展的深入，其动态等效电路模型将发挥越来越重要的作用。将来的等效电路模型需要更加详细和精确的理论分析作为建立电路结构的基础，并在此基础上具备广泛的通用性，只需通过改变模型中有关参数即可使其适用于不同型号或者规格的PEMFC,而不需变更模型结构。对PEMFC瞬态响应特性和中长期运行特性的进一步深入研究，特别是在对于供气压强、温度等输入参量进行控制这一方面的研究，对于等效电路模型提出了更高的要求，需要模型能够准确全面地反映供气压强、温度、负载等参量之中一者或多者发生变化时PEMFC

6、的响应。实际操作和运行过程中这些参量有着一定的相互联系，这一点也应当在模型中得到如实的体现。参考文献：1 James1arminie,AndrewDicks.Fue1Ce11SystemsExp1ained(SecondEdition)M.Chichester:JohnWi1ey&Sons1td,2003.2王林山，李瑛.燃料电池(第二版)M.北京:冶金工业出版社,2005.3(日)电气学会燃料电池发电21世纪系统技术调查专门委员会著;谢晓峰,范星河译.燃料电池技术M.北京:化学工业出版社,2004.4Rona1dFMann,JohnCAmph1ett,Michae1AIHooper,eta1

7、.Deve1opmentandApp1icationofaGenera1isedSteady-stateE1ectrochemica1Mode1foraPEMFue1Ce11J.Journa1ofPowerSources,2000,86:173-180.5 JefersonMCorrea,Fe1ixAFarret,1ucianeNCanha,eta1.Ane1ectrochemica1-basedfue1-ce11mode1suitab1e,fore1ectrica1engineeringautomationapproachJ.IEEETransactionsonIndustria1E1ect

8、ronics,2004,51(5):1103-1112.6MJKhan,MTIqba1.Mode11ingandAna1ysisofE1ectrochemica1,Therma1,andReactantF1owDynamicsforaPEMFue1Ce11SystemJ.Fue1Ce11s,2005(4):463-475.7MCerao1o,CMiu11i,APozio.Mode11ingStaticandDynamicBehaviourofProtonExchangeMembraneFue1Ce11sontheBasisofE1ectrochemica1DescriptionJ.Journa

9、1ofPowerSources,2003,113:131-144.8PRPathapati,XXue,JTang.ANewDynamicMode1forPredictingTransientPhenomenainaPEMFue1Ce11systemJ.Renewab1eEnergy,2005(30):122.9王俊，温旭辉，徐志捷.质子交换膜燃料电池电气性能实验及建模研究J.电源技术,2001,25(1):10-12.10郭建伟,毛宗强,徐景明.采用交流阻抗法对质子交换膜燃料电池电化学行为的研窕J.高等学校化学学报,2003,24(8):1477-1481.11WoojinChoi,PrasadNEnjeti,JoWHowze.Deve1opmentofanEquiva1entCircuitMode1ofaFue1Ce11toEva1uatetheEffectsofInverterRipp1eCurrentC.APEC04.NineteenthAnnua1IEEE2004,1:355-361.12DachuanYu,SYuvarajan.ANove1CircuitMode1ForPEMFue1Ce11sC.APEC,04.NineteenthAnnua1IEEE,2004,1:362-366.