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1、w 机电工程学院毕业论文外文资料翻译论文题目 电动汽车燃料电池建模与分析研究 译文题目: Renewable Energy 学生姓名： 学 号： 20074740216 专业班级： 车辆工程0702 指导教师： 正文： 外文资料译文 附件： 外文资料原文指导教师评语： 签名： 年 月 日正文：外文资料译文文献出处：ELSEVIER杂志可再生能源 这是一个评价质子交换膜燃料电池的应用模型摘要： 在文献里几个模型已经被建立来体现质子交换膜燃料电池的性能。这些模型根据复杂程度的不同可以分为主要的两类：机理模型和半经验模型。机理模型来自于电化学、热力学、流体力学等，详细的描述了燃料电池的工作过程。机械
2、的方案的主要缺陷是模型非常复杂，需要的参数知识难于获得。另一方面半经验模型容易获得也能在工程软件上正确的反映燃料电池系统的的性能。在这篇文章里将要建立一个全新的半经验的模型比以往文献里出现的任何模型都要简单，这个模型划分成使用半经验方程和线性二次方程来计算的经验结果系数。这模型可用在小型分布式发电系统的性能评估，以及车辆燃料电池和便携式电子产品的设计中。1 介绍 燃料电池是在电介质和极板的帮助下使氧和氢气结合产生电流的电化学设备。在不同类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池也称为聚合物电介质膜燃料电池是燃料电池发展的最前沿技术。质子交换膜燃料电池是一种清洁的能量转换装置。因为这种燃料电池的主要产
3、物只有水、热和电能。在小于100C的工作温度时达到4065%的效率。高达0.8W/cm2能量密度。这些特征使质子交换膜燃料电池成为最有前途的技术。对未来的发展有许多应用。例如：便携式电子产品，分布式能量发生器和汽车等2。 一个可靠的数学模型需要容易理解且能够反映燃料电池系统性能的参数；在分析和设计模型时能够节省时间和开支。为此不同的模型已经在文献3里建立。在文献里被提议的几个模型都有介绍，它给人展现根据应用条件选择燃料电池模型的标准。 质子交换膜燃料电池模型可以基本的划分为两大类：机理模型和半经验模型。 机理模型是基于电化学、热力学、流体力学一般是高次方程，需要难于掌握的参数知识如傅里叶变换，
4、湿度水平、隔膜、电极活化催化剂层厚度。另一方面半经验模型比机理模型容易掌握也能够正确的反映在工程中。例如小的分布式发电系统便携式电子产品和汽车。因此，这种模型将在本文被采纳应用。 一个简单在文献里的半经验模型首先在参考文献10中介绍。一个基于BM系统公司生产的BM IV燃料电池静态模型已经被提出。这个模型属于机理模型。用机理模型产生结构方程，然后通过使用衰退技术得到参数满足实验数据。主要文献是10计算燃料电池工作的主要变量的半经验模型。例如工作温度、电极局部压力、 燃料电池电流。为了扩大基于BM Iv电池的模型与其他类型被提出在文献17的模型的应用。一个不同的半经验模型叫做普通静态电化学模型。
5、这模型是基于文献45，19基于聚合体隔膜反应的实验数据。然而文献19的数据是从一种特殊的燃料电池膜获得的；即DuPont的Nafion117质子交换膜。特殊燃料电池的流场设计中，不能保证GSSEM能体现不同设计思路的电池的性能。最近一个经验方程已经被提出在文献20在主要工艺参数上模仿燃料电池的电压变化。模型方程有11个参数。一个参数电极间液体水的质量必须通过技术条件来估算。另外其他参数从实验数据中获得。尽管文献20提出的模型和实验数据非常吻合，但是燃料电池电压方程却没有理论依据。所以假定在受温度影响和局部压力影响下，不能证明文献20的数据是全面的。 在这篇文章里，一个全新的半经验模型比目前文献
6、上提出的其他模型计算量要少。一个新静态模型仅有一个来自于文献4，10，17的半经验方程组成，因此有机理基础。由此可见这个单独的方程有足够的自由度，正确的反映燃料电池参数的变化。正是这种模型配备燃料电池本身的实验数据能发现和隔膜电阻有关的参数。希望能达到优于GSSEM的数据匹配。为了展示被提议模型的优越性；模型的参数和bps一个动力文献上有效参数保持一致，因为不同的运动条件使描述有别于bsp一个动力文献。 这篇文章有如下安排：第二部分介绍燃料电池的工作原理。第三部分介绍半经验模型，第四部分对模型参数进行鉴定，最后第五部分是结束。2 燃料电池工作原理 一个单体质子交换膜燃料电池主要有两个被固体电解
7、质分开的起催化作用的多孔渗水电极。这电解液是离子传导聚合体。在电池的正极，富氢气体在一定压力下供给，这种燃料气体通过多孔渗水电极传播一直到达电极的反应层，释放电子产生质子。 H22H+2e- （1） 在阳极不完全反应释放的电子经外电路到达阴极。同时两个氢离子经过交换膜到达阴极。在阴极附近，提供有氧化剂（一般是空气）。当氧到达电极的反应层和电极产的电子和电解液中的氢离子反映生成水。所以电解反应的总方程是： O2 +4H+4e-2H2O （2） 电池组的总反应方程式是： 2H2 + O22H2O+热量 （3） 当电流密度接近0.5A/cm2时的单电池电压为0.7V。所以为了产生有用的电压使用极板把
8、很多电池串联起来形成电池堆。电极作为为阴极提供氧，为阳极提供能源气体，同样作为电池电极的连接。 需要注意的是水合薄膜是至关重要的因素在燃料电池工作中。因为氢离子在通过高分子膜时被水分子包围，所以薄膜必须有足够的水来满足离子导电性。所以隔膜脱水会导致质子的流动阻力增大。另一方面，过多的水主要在阴极不完全反应生成的水，导致氧在多空电极里的扩散问题。在这篇文章里假定水控制和水合反应都满足恒稳工作的要求。3 非线性的PEMFC模型 如果燃料电池反应中的所有化学能都转变成工来使电子在外电路移动。那时电池输出电压将会和热力学平衡电压相等。 然而这个过程存在的损失取决于燃料电池的电流密度和工作条件(温度，电
9、极接触面的局部压力薄膜湿度)。在这部分潜在的热力平衡方程和电压损失的观点得来于一个简单的PEMFC半经验模型.1.1 热力平衡电压热力平衡电压被文献11，4的那斯托方程提出 E=E0+ln (4) R是气体常量8.314J/Kmol，F是法拉第常数96487C ，T是燃料电池工作温度 K ，Po2 ，PH2分别表示氧和氢在接阴极和阳极触反应面的局部压力。E0表示在标准压力下的开路可逆电压。让我们现在讨论条件Po2 ，PH2，E0的方程。3.1.1 标准压力下的可逆开路电压众所周知E0是电池电压工作温度T的函数表示为： E0 =1.229-0.8510-5(T-298.15) (5)3.1.2
10、氧在阴极接触反应层的局部压力。假设氧化剂是氧和氮的混合物，在燃料电池的工作温度下和水气饱和。在流道内的全部压力是定值，氧的局部压力的流动方程在文献四中给出。Pca是阴极的压力，I使电流密度，Xh2o是是水的摩尔份数，XN2是阴极流道内的氮的摩尔份数，值得注意右边指数项非常接近于一。即使是高的电流密度和低的温度。例如：电流密度是0.8A/cm2温度是298K指数项等于1.002.所以公式6的指数项可以忽略，从而方程可以简化为：O2+4e-+4H+2H2O 假定像文献4 15中阴极的有效水压等于水汽在温度T时的饱和压力。所以： PO2=Pca （6） 假定氧化剂在阴极流道达到适当的循环，从而氧和氮
11、的摩尔份数之间的关系是常数。 PO2 = Pca (7) 假定如在文献4,10 有效阳极水压等于在温度T下的静态压力 = (8) 假设氧和氮气之间的关系是常数 XN2= (9)用以上式子可以得到阳极氧的局部压力表达式是 =(-) (10) 其中= 3.1.3氢在阳极接触反应面的局部压力假定可燃气体是潮湿的纯净氢气，有效阳极水汽压力是饱和水汽压力的百分之五十。氢的局部压力就是： PH2 =(0.5) (11)现在如（6）在（11）中的指数项接近于1 ，即使对于高电流密度和低的工作温度下，这项也可被忽略，可得： PH2=(0.5) (12) 因为 = （13） PH2=-0.5 (14) Pan表示阳极的全部压力。3.1.4热力平衡电压方程现在我们以根据燃料电池温度阴极 阳极压力 水汽的饱和压力获得的热力平衡电压表达式，用（5）（10）（14）中的取代（4）中的得到一个方程： E=1.299-0.8510-3(T-298.15)+4.3110-3T (15) E=1+2T+3Tln(Pan-0.5P)+4Tln(Pca-) (16) 1=1.4833 (17) 2 =-0.8510-3+2.15510-5ln (18) 3 =4.3110-5
