上海交通大学 

硕士学位论文 

燃料电池汽车动力系统过程模拟 

姓名 : 陈黎明 

申请学位级别 : 硕士 

专业 : 化学工程 

指导教师 : 马紫峰 

20090101

上海交通大学硕士学位论文 

摘要 

随着全世界汽车产量和保有量的日益增多 , 以石油产品为动力源的车辆所排 

放的废气已经成为影响地球气候和环境污染的主要来源 , 能源危机也日益加剧。 

因此 , 人们迫切的需要开发低污染的替代能源汽车来改善能源短缺和环保问题 , 

燃料电池汽车 (FCV, Fuel Cell Vehicle) 作为一种可行方案已成为世界各汽车厂 

商在技术领域进行竞争的焦点之一。与传统内燃机汽车相比 , 燃料电池汽车不通 

过热机过程 , 不受卡诺循环的限制 , 具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽 

车不可比拟的优点 , 同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安 

全、舒适等性能 , 被认为是 21 世纪首选的洁净、高效运输工具。 

动力系统是燃料电池汽车的核心部分 , 是决定整车性能的关键 , 也是其不同 

于传统内燃机汽车和其他类型电动汽车的标志 , 因此 , 对燃料电池汽车动力系统 

进行研究具有非常重要的意义。随着计算机技术的发展 , 建模仿真技术已经成为 

汽车动力系统研发过程中的一个重要手段。通过仿真分析可以灵活地调整设计方 

案 , 合理优化参数 , 预测不同操作条件下的系统性能 , 有助于样车的制造和试验。 

本文的出发点是系统层面上的建模 , 建立了包括燃料供应模块、燃料电池堆 

模块和循环冷却水模块在内的质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 汽车动力系统数 

学模型。其中燃料供应模块包括压缩机模型和气体分压模型 , 燃料电池堆模块分 

别给出了理论可逆电压、活化极化电压、欧姆极化电压和浓差极化电压的数学模 

型 , 循环冷却水模块重点考虑了几个关键因素对冷却水用量的影响。接着 , 笔者 

运用 Matlab/Simulink 软件进行模型求解和参数寻优。与此同时 , 本文自主搭建 

了一套 PEMFC 单电池测试系统 , 并得到一系列实验结果 , 通过实验数据与仿真 

结果的对比 , 表明所建模型能较为准确地反映动力系统的稳态特性 , 为燃料电池 

汽车动力系统的研究和设计提供理论依据。最后 , 通过进一步的仿真 , 本文充分 

研究了电池堆温度、氢气流量、空气流量、阴阳两极入口压力对系统性能的影响 , 

以及电池堆温度、环境温度和氢气流量对循环冷却水用量的影响。 

关键词 : 燃料电池汽车 , 动力系统 ,Matlab/Simulink, 建模与仿真 

I


ABSTRACT 

With the worldwide increase in automotive output, the emission of 

petroleum based vehicles has become the major source affecting global 

climate and air pollution. And what is more, energy crisis has also 

become more and more serious. Therefore, a new kind of efficient vehicle 

with low emissions is necessary for improving energy shortage and 

solving environmental protection problem. Fuel cell vehicle, as a viable 

program, appears to be a focus in technical competition for the world's 

automotive manufacturers. Compared with traditional internal 

combustion engine vehicle, it has many peerless merits such as 

environment friendly and high conversion efficiencies, furthermore, heat 

engine process and Carnot cycle restriction are also invalid. Fuel cell 

vehicle is considered to be the preferred clean and high efficient 

conveyance in 21st century because it has the same performances as 

traditional internal combustion engine vehicle such as high speed, long 

distance running and safe, comfortable, etc. 

Power system is the core of fuel cell vehicle, which decides the 

running performance, and is also the main symbol different from 

traditional internal combustion engine vehicle and other electric vehicles. 

So the study on fuel cell vehicle power system has great significance. 

Modeling simulation technology has become a very important method in 

II


the research of vehicle power system along with the development of 

computer technology, by which we can adjust design scheme, optimize 

parameters flexibly and predict system performances of different 

operating conditions, and it will be helpful for manufacturing and testing 

of sample vehicle. 

This article aims at system level modeling and constructed here is a 

mathematic model of PEM Fuel Cell Vehicle Power System which is 

composed of fuel supply model, fuel cell stack model and recycle cooling 

water model. The fuel supply model contains compressor model and gas 

partial pressure model, while fuel cell stack model presents the 

calculating of Nernst voltage, activation voltage, ohmic voltage and 

concentration voltage, and a few key factors which influences the recycle 

cooling water flow is considered in the recycle cooling water model. 

Matlab/Simulink software was used for model parameter solution and 

optimization. In the mean time, an PEMFC single cell testing device was 

developed to obtain a series of experimental data, It shows that the 

constructed model can represent characteristics of the power system 

closely by comparing modeling results with experimental data, and it can 

be used in the study and design of fuel cell vehicle power system. What’s 

more, further simulations were achieved to evaluate how cell stack 

temperature, Hydrogen flow, Oxygen flow, inlet gas pressure in both 

anode and cathode affect system performances, and how cell stack 

III


temperature, ambient temperature and Hydrogen flow affect recycle 

cooling water flow. 

Keywords: Fuel cell vehicle, power system, Matlab/Simulink, modeling 

and simulation 

IV


第一章绪论 

1.1 引言 

随着社会的发展进步 , 传统的内燃机汽车 ( 主要以汽油和柴油为燃料 ) 产量 

和保有量不断攀升 , 它们所排放的废气使得全球环境污染和能源短缺陷入了恶性 

循环 [1] 。据统计 , 每千辆汽车每天排出一氧化碳约 3000kg, 碳氢化合物 200-400kg, 

氮氧化合物 50-150kg, 全球 1/4 以上的城市大气污染源于汽车尾气。汽车产生的 

噪音也日趋严重 , 甚至已占到了城市噪音的 85%。温室效应、酸雨等无不与汽车 

尾气污染有重要关系。汽车使用的能源现在主要来自石油 , 目前世界石油有 57% 

被消耗于交通领域 , 据美国能源部预测 ,2020 年以后 , 全球石油需求与常规供 

给之间将开始出现净缺口 , 这个缺口在 2050 年将达到 500 亿桶。 

对于中国这样一个人口众多的国家来说 , 这种环境污染和能源短缺的形势尤 

为严峻。我国人均能源资源占有量不到世界水平的 1/2, 其中石油仅为 1/10。有 

资料表明 , 自从我国加入 WTO 以后汽车产业飞速发展 , 全国汽车保有量年增长 

率保持在 13%, 特别是一些大型和特大型城市如北京、广州、成都、上海等市机 

动车数量增长速率远远高于全国平均水平 , 按照这样的增长速度 , 预计到 2020 

年整个社会汽车总量将达到 1.45 亿辆。现在 , 全国二氧化硫年排放量高达 1857 

万吨 , 我国的二氧化碳排放量位居世界第二。全国大多数城市的大气环境质量超 

过国家规定的标准。全国 47 个重点城市中 , 约 70% 以上的城市大气环境质量达 

不到国家规定的二级标准 ; 雨区污染日益突出 , 酸雨区由 80 年代的西南局部地 

区发展到现在的西南、华南、华中和华东 4 个大面积的酸雨区 , 酸雨覆盖面积已 

占国土面积的 30% 以上 , 我国已成为继欧洲、北美之后的世界第三大重酸雨区。 

据国家环保中心预测 ,2010 年汽车尾气排放量将占空气污染源的 64%, 汽车尾 

气的污染已经成为中国城市大气污染的主要因素之一 , 越来越受到人们的关注。 

因此 , 人们迫切的需要开发低污染的替代能源汽车来改善能源短缺和环保问 

题 , 燃料电池汽车作为一种可行方案已成为世界各汽车厂商在技术领域进行竞争 

的焦点之一。被认为是 21 世纪首选的洁净、高效运输工具。 

1


1.2 燃料电池汽车概述 

1.2.1 燃料电池汽车技术优势 

燃料电池汽车 (FCV, Fuel Cell Vehicle) 是将燃料电池作为动力源 , 直接将 

燃料的化学能转变为电能 , 经电动机驱动车辆运行。燃料电池汽车与传统内燃机 

汽车、纯电动汽车、混合动力电动汽车相比 , 具有以下技术优势 : 

1. 能量转换效率高 

内燃机的能量转换路线是燃料的化学能 - 热能 - 动能 , 而燃料电池的工作过程 

是燃料的化学能 - 电能的过程 , 它不通过热机过程 , 不受卡诺循环的限制 , 能量 

转化效率高。 

2. 环境友好 

氢燃料电池汽车以纯氢作为燃料 , 生成物只有水 , 属于零排放。其他非纯氢 

燃料电池汽车污染物的排放都比汽油机和柴油机驱动的汽车低一到两个数量级 , 

而且 CO 2 的排放量降低了 40%-60%。所以总体上考虑 , 使用燃料电池作为交通工 

具的动力源有利于降低温室效应。 

3. 续驶里程长且安全 

采用燃料电池系统作为能量源 , 克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点 , 其长 

途行驶能力及动力性能已经接近于传统汽车。其驾驶起来安全、舒适。 

4. 运行噪音低 

燃料电池属于静态能量转换装置 , 除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运 

动部件 , 因此与内燃机汽车相比 , 运行过程中噪音和振动都较小。 

5. 过载能力强 

燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外 , 其短时过载能力 

可达到额定功率的 200% 甚至更大。 

6. 设计方便灵活 

燃料电池汽车可以按照 X-By-Wire 的思路进行汽车设计 , 改变传统的汽车设 

计概念 , 可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。X-By-Wire 又称线传操控 

技术 , 其核心是智能机电传动装置 , 这些装置将原先操控车辆的机械手段改由线 

传电子控制。一切的命令 , 如转向、加速、制动等都通过电子信号进行传递 , 最 

2


终转变为机械动作 , 使汽车彻底抛弃传统机械连接装置的束缚 , 具有操纵简便快 

捷、精确控制、减轻重量、节省空间和环保节能等优点。 

1.2.2 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 简介 

通常 , 燃料电池可依据其工作温度、燃料种类和电解质类型进行分类。按照 

工作温度 , 燃料电池可分为高、中及低温型三类。工作温度从室温至 100°C 为常 

温燃料电池 , 如质子交换膜燃料电池 (PEMFC); 工作温度介于 100°C~300°C 之间 

的为中温燃料电池 , 如磷酸燃料电池 (PAFC); 工作温度在 600°C 以上的为高温燃 

料电池 , 如熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC) [2,5] 。 

现在燃料电池研究界比较统一的按燃料电池的电解质类型对燃料电池进行 

分类 [3,4-8] , 目前正在开发的商用燃料电池中 , 依据电解质类型的分类及其主要特 

征见表 1-1。 

表 1-1 燃料电池的分类与主要特征 

类型 

碱性燃料 

电池 

(AFC) 

质子交换膜电 

解质燃料电池 

(PEMFC) 

磷酸燃料电 

池 (PAFC) 

熔融碳酸盐 

燃料电池 

(MCFC) 

固体氧化物 

燃料电池 

(SOFC) 

电解质 KOH( 液 ) 全氟磺酸膜 H 3 PO 4 

(Li,K) 

CO 3 

氧化钇 , 稳 

定氧化锆 

工作温度 

(°C) 

50~ 200 室温 ~100 100~ 200 650~ 700 900~ 1000 

燃料纯氢氢气、重整气重整气 

净化煤气、 

天然气、重 

整气 

净化煤气、 

天然气 

氧化剂纯氧空气空气空气空气 

腐蚀性强无强强强 

3


技术状态 

高度发展 , 

高效 

高度发展 , 需降 

低成本 

高度发展 , 

成本高 , 余 

热利用价值 

低 

正在进行现 

场实验 , 需 

延长寿命 

电池结构选 

择 , 开发廉 

价制备技术 

应用领域 

航天 , 特殊 

地面应用 

电动汽车、潜艇 

AIP 推动 , 可移 

动动力源 

特殊需求 , 

区域性供电 

区域供电 

区域供电 , 

联合循环发 

电 

1.2.2.1 质子交换膜燃料电池的起源与发展 

质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 是世界上最早正式开发的燃料电池 , 其发 

展历史的开端 , 也就是燃料电池的真正起源 , 可以追溯到 20 世纪 60 年代初美国 

的 GE 为 NASA 研制的应用于 “ 双子座 ” 卫星和 “ 阿波罗 ” 号飞船的 PEMFC [2-5,8-10] 。 

然而由于电池所用的聚合物电解质为聚苯乙烯磺酸膜 , 稳定性及导电性均较差 , 

使用寿命仅 500h, 而且由于膜的降解 , 污染了电池生成的水 , 无法供宇航员饮 

用 ,PEMFC 在以后的卫星应用投标中屡屡失败 , 电池的研究一度陷入低谷 [2,8,9] 。 

到了 80 年代 , 美国杜邦公司 (DuPont) 成功的研制出性能优良的聚合物电解 

质 —Nafion® 膜 , 以及美国陶氏化学公司 (Dow) 研制出更为优良的 Dow® 全氟 

磺酸膜 , 使电池性能提高数倍 , 此后 ,PEMFC 的研究开发工作如雨后春笋般的 

在全世界范围内展开 [4,8,9] , 采用铂 / 碳催化剂代替纯铂黑 , 在电极催化层中加入全 

氟磺酸树脂 , 实现了电极的立体化 , 并将阴极、阳极和膜热压到一起 , 组成电极、 

膜、电极的 “ 三合一 ” 组件 , 即膜电极 (Membrane Electrode Assembly, MEA)。 

该工艺大幅度提高了电池性能 , 而且使电极的铂担量降低到 0.5mg/cm 2 , 电池输 

出功率高达 0.5~2W/cm 2 , 电池组的质量比功率和体积比功率分别达到 700W/kg 

和 1000W/L。 

1.2.2.2 质子交换膜燃料电池基本结构 

典型的 PEMFC 的单体电池基本结构如图 1-1 所示。主体部件是膜电极组件 , 

先用两层先涂敷碳黑 - 聚四氟乙烯透气憎水材料 , 然后涂敷碳载铂金属催化剂 - 

4


Nafion® 溶液的碳纸或者碳布材料 , 同质子交换膜一起热压而成 , 热压时两碳纸 

或碳布涂有催化剂层的一侧朝向质子交换膜 , 得到 “ 三明治 ” 型的膜电极。膜电 

极外侧是两块石墨板 , 石墨板朝向膜电极一侧刻蛇形气道沟槽 , 这样石墨板同时 

起到电流集流板和气体流场板的作用。电池最外两侧是两块金属夹板 , 起到固定 

电池组件作用 , 夹板与石墨集流板之间用绝缘垫层隔开以起到绝缘、密封作用。 

[5,10,11] 

1.2.2.3 质子交换膜燃料电池发电原理 

图 1-1 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 结构及工作原理示意图 

Fig. 1-1 Structure and working mechanism of polymer electrolyte fuel cell 

如图 1-1 所示 , 分别向电池阳极和阴极通入增湿的氢气和干燥或增湿的氧气或空气 , 阴 

阳两极的物理化学过程如下 : 

1. 阳极区 : 氢气和水气从气道通过阳极扩散层 ( 指碳纸加碳黑 - 聚四氟乙烯 

5


涂层 , 下同 ) 扩散到阳极催化层 , 在催化剂表面发生电化学反应 , 失去电 

子生成质子。失去的电子通过负载 ( 外电路 ) 移动到电池正极 ( 即阴极 ); 

生成的质子则结合水分子以水合质子的形式通过质子交换膜 ( 内电路 ), 

扩散到电池阴极区的电解质膜 / 催化层界面 ; 

2. 阴极区 : 同样的 , 氧气分子从气道通过阴极扩散层扩散到阴极催化层 , 在 

阴极电催化剂的作用下结合外电路传导过来的电子 , 同时与内电路扩散过 

来的质子在电催化剂上结合生成水。 

电池反应可表示为 : 

− 

阳极 : H → 4H 

+ + 4e 

(1-1) 

2 2 

+ − 

阴极 : + 4H + 4e 

2H O 

(1-2) 

O2 → 

2 

总反应 : 2H2 + O2 

→ 2H2O 

(1-3) 

1.2.2.4 质子交换膜燃料电池的优缺点及主要技术问题 

[4-6] 

1. PEMFC 的优点 

(1) 系统规模可大可小 , 应用广泛 , 既可以用于空间、军用 , 又可以民用 , 特 

别是电动汽车、电动助动车电源 ; 

(2) 可以用空气或纯氧气作为氧化剂 , 用纯氢气或重整气作为燃料气 , 能量效 

率及能量密度高 ; 

(3) 可在较低温度下快速启动及工作 ; 

(4) 电池是全固体封装 , 不用腐蚀性电解液或高温熔盐 , 安全可靠 ; 

(5) 生成的水纯净 , 可直接饮用 ; 

(6) 与其他 FC 比较 ( 如 MCFC、PAFC), 其开发的投入要少的多 ; 

(7) 在军用潜艇方面 ,PEMFC 潜艇因其噪音低 , 红外信号弱 , 激动灵活 , 极 

具隐形作战能力 , 有希望成为继传统的柴油机潜艇和核潜艇之后的第三代 

潜艇 ; 

[5] 

2. PEMFC 的不足之处 

(1) 因为 PEMFC 属于低温燃料电池 , 所以废热品位低 , 很难实现电热联供 ; 

(2) 电池催化剂对一氧化碳敏感 , 容易发生催化剂中毒而使燃料电池的性能下降 , 在采 

6


用重整气作为燃料气时 , 需要在前置装置中将 CO 转化为 CO 2 ; 

(3) 目前电极催化剂尚需要较多贵金属催化剂 , 不利于生产成本的降低 ; 

(4) 质子交换膜生产成本比较高 , 供应商较少。 

[4,8,9] 

3. 质子交换膜燃料电池中主要的技术问题 

概括起来 , 质子交换膜燃料电池中有以下四大方面的技术问题 : 

[10,11] 

(1) 流场板气道设计的优化问题 

在 PEMFC 中 , 电极各处均能获得充足的反应剂、及时把电池生成水排出 , 

是保证质子交换膜燃料电池正常运行的关键。因为如果反应物在电极各处分布不 

均匀 , 就会造成电极各处反应的不均匀 , 从而引起电流密度分布不均匀 , 导致电 

池局部过热 , 降低电池性能和寿命。另外如果不及时把电池生成水排出 , 随着反 

应的进行 , 阴极催化剂周围累积的水会使得反应气体难于接近催化剂 , 即出现所谓的 

“ 电极水淹 ” 现象 , 直接影响电池性能。另外 , 生成水会增大反应气体通过扩散层到达催化 

层的阻力 , 降低电池输出功率 , 水的累积有时也会使得膜局部产生溶涨现象。 

流场结构决定反应剂与生成物在流场内的流动状态 , 因此流场板是燃料电池 

关键部件之一 , 对于大面积 PEMFC, 流场板的作用显得尤为重要 , 电极工作面 

积放大过程中流场设计不合理往往是导致电池性能下降的主要原因。设计合理的 

流场板 , 应能够均匀分配电池反应所需的燃料与氧化剂 , 保证电流密度分布均匀 , 

避免局部过热 ; 使电池生成水在反应尾气吹扫和夹带下顺利排除 , 这就要求流体 

在流道内具有一定的线速度。目前应用最为广泛的是蛇形流场板。 

由于流场板同时又是电极集流板 , 所以要求流场板是电的良导体 , 起到收集 

电流作用 ; 热的良导体 , 以保证电池温度均匀分布和排热方案的实施 ; 在电池操 

作温度和压力下不发生形变 ; 燃料和氧化剂非穿透性 , 起到良好的密封作用 ; 在 

电池电化学环境中耐腐蚀 ; 材料密度尽可能小 , 以提高电池的重量比功率等。无 

孔石墨板是目前广泛采用的流场板材料 , 为降低流场板所占的费用成本 , 提高加 

工的便利性 , 以及降低流场板所占的电池重量 , 提高电池重量比功率 , 表面改性 

的金属板和复合型双极板正在紧锣密鼓的开发中。其技术要点是对金属表面的改 

性 , 提高材料的耐腐蚀性。 

(2) 质子交换膜 (PEM) 性能的改进 

质子交换膜在电池中同时起到分隔燃料和氧化剂以及传导质子的双重作用。 

7


考虑到其在电池中的作用和电池工作条件 ( 强酸性 , 强氧化环境 100°C 左右的工 

[12] 

作温度等 ), 要求 PEMFC 用质子交换膜气体渗透性低 , 以起到阻隔燃料和氧化 

剂的作用 ; 高的质子导率 , 保证在高电流密度下 , 膜的欧姆电阻低 , 以提高电池 

效率 ; 好的化学和电化学稳定性 , 如耐酸碱性、耐氧化性等 , 以保证电池的工作 

寿命 ; 热稳定性好 , 以承受在电池加工和运行中不均匀的热量冲击 ; 干湿转换性 

能要好 , 电池在加工过程中会使膜失去水分 , 而在电池的运行过程中为了获得最 

大的质子传导率 , 质子交换膜要在全湿状态下工作 , 因此要求膜的尺寸稳定性、 

含水量等具有很好的干湿转换性 ; 具有一定的机械强度、可加工性好 , 满足大规 

模生产的要求 ; 适当的性价比。 

目前使用最为广泛的质子交换膜是美国 Dupont 公司推出的 Nafion® 全氟磺酸 

质子交换膜。由于它表现出优良的稳定性和高的质子导率 , 使得 PEMFC 有了飞 

跃性的发展。Nafion® 膜的化学结构为 [12,13] : 

CF 2 CF 2 CF 2 CF 

x 

2 

y 

OCF 2 CF O CF 2 SO 3 H 

2 

z 

CF 3 

(1-4) 

其中 ,x=6~10,y=z=1。 

另外 , 已经实用化的质子交换膜还有美国 Dow 化学公司 1988 年开发的 Dow® 

膜 , 其结构为 [12,13] : 

CF 2 CF 2 CF 2 CF 

x 

2 

y 

O(CF 2 ) 2 SO 3 H 

(1-5) 

可以看出 Dow® 膜较 Nafion® 膜结构相似 , 只是磺酸基含量 (g/mol SO 3 H) 值 

更低。具有更高的导电率和吸水率 , 且膜更不容易溶涨 , 机械强度好。但由于 

Dow® 膜的单体合成较 Nafion® 的单体为难 , 所以成本更高 [12] 。 

研究燃料电池用膜除上述两公司外 , 还有 Achai 化学公司、CEC 公司、日本 

氯气工程公司及加拿大 Ballard Adraned 材料公司 , 其中大部分为全氟磺酸膜 [13] 。 

(3) 电催化剂的制备 

最早出现的聚合物电解质燃料电池采用纯铂黑作为电极催化剂 , 不仅 Pt 金属 

用量高 , 而且电极有效面积小 , 催化剂利用率极低。20 世纪 80 年代美国国家实 

验室 (LANL) 开发出一种先进的电极制备工艺 , 将 Pt 载量降至 0.4mg/cm 2 。1992 

8


年又与 TexasA&M 合作研究 , 使膜电极的铂载量进一步降低到 0.13mg/cm 2 。1995 

年印度电化学能源研究中心采用喷涂浸渍法将铂载量降至 0.1mg/cm 2 , 性能可与 

0.4mg/cm 2 的载铂量电极相当。最近 , 加拿大巴拉德公司宣布采用一种新工艺 , 

可将铂载量降为 0.02mg/cm 2 。为了进一步提高 PEMFC 中电催化剂的活性 , 近年 

来对新型催化剂的研究工作日益增多 , 如对碳载铂的二元、三元合金作为氧还原 

催化剂的研究等 [11] 。 

另外由于 PEMFC 所用燃料的多样性 , 使得当采用重整气及液体燃料 ( 如甲 

醇 ) 或由它们提供氢源时 , 在体积、重量等方面较使用纯氢将会有更大的优势。 

在燃料电池操作温度 (60~100°C) 下 CO 对 Pt 金属是一种非常强的毒物。即使是 

痕量的 CO(5~10)×10 -6 也可使电池的性能严重下降 , 因而寻找抗 CO 中毒的方 

法成为 PE 燃料电池电催化剂研究中的关键课题 [14] 。 

目前对新型催化剂的研究和开发还处于实验室研究阶段 , 研究开发工作主要 

集中在两个方向 : 一是改善已有的贵金属催化剂 , 通过化学还原或高温热处理等 

物理、化学手段 , 向贵金属催化剂中添加其它过渡金属元素组分 , 并使其合金化 , 

以改善催化剂的催化活性和电化学稳定性 , 达到减少催化剂中贵金属用量、降低 

催化剂成本的目的 ; 二是开发基于非贵金属的催化剂 , 通过热解碳负载的或无负 

载的过渡金属有机 / 无机化合物的方法得到完全基于非贵金属的电催化剂 [15] 。 

(4) 膜电极 (MEA) 结构及制备工艺的优化 

虽然采用大比表面、高电导率的碳作载体制备出的 Pt/C 催化剂大幅度降低了 

催化剂中的 Pt 载量 , 但催化剂中的 Pt 利用率仍只有 10~20%, 究其原因 , 有 [14] : 

电催化剂中 Pt 颗粒太大 , 表面原子相对太少 , 并且催化剂颗粒在电池工作过程中 

还会增大 [16] ; 反应物不易到达催化剂表面 ; 电极反应速率受其它因素影响较大 , 

如 MEA 结构、MEA 内的传质速率、电池的水热控制、工作温度和压力等。 

因此 , 精心设计 MEA 结构和制备工艺 , 对降低 Pt 负载量、提高 Pt 利用率至关 

重要。制备膜电极组件中的关键技术是控制电催化剂浆料的配比与涂布技巧。由 

于 MEA 结构中采用的电解质为固态的离子聚合物 , 而非电解质溶液 , 故它与一 

般化学电源中的气体扩散电极有很大的差异。因此不能借助溶液表面张力 , 使电 

解质渗入多孔电极的内部 , 形成三维反应区。为解决这一问题 , 需要尽可能地扩 

大催化层中的离子聚合物与电催化剂颗粒的接触表面 , 即扩展三维的反应区间 , 

9


形成质子、电子和反应气体的连续通道 , 同时要改善离子交换膜中的离子聚合物 

与催化层中的离子聚合物间的界面连续性 , 以充分提高催化剂的利用率 , 并减少 

各种传递过程的阻力 [14] 。 

(5) PEMFC 系统的水热管理 

燃料电池中的水传递行为极大影响着燃料电池的性能 , 这表现在三个主要方 

面 : 

首先 , 膜的质子导率是膜水化程度的强函数 , 膜脱水会导致质子导率严重下 

降 , 电解质膜欧姆电阻急剧升高 , 从而造成电池性能大幅度下降。严重的膜脱水 

甚至导致膜孔塌陷而发生的所谓 “ 干死 ” 失效现象 [17] 。 

其次 , 水相变过程中的相变热是电池热传递中的主导因素。例如阳极采用过 

饱和水气增湿 —— 增湿器温度高于电池工作温度 —— 阳极气道中随着气道深入 

就会发生凝结与蒸发过程 , 这将导致阳极沿气道方向温度变化更为显著 ; 阴极区 

随着气道的深入生成更多的水 , 这些水的相变也将导致温度随着气道深入而升 

高 , 气道温度的不均匀性将影响膜物理化学性能的一致性 , 进而影响电池单体电 

流密度一致性。 

另外 , 阴极区凝结的液态水如果不能有效及时的排出 , 就将堵塞阴极扩散层 

和催化剂层中的微孔 , 造成电极 “ 水淹 ” 现象 , 从而阻碍氧化剂气体有效的扩散 

到反应活化区 , 造成气体扩散阻力增大。 

燃料电池工作时 , 水在电解质膜中的传输受三种机理控制 [17] , 一是电迁移 , 

阳极气道通入水蒸汽和氢气 , 混合气体扩散到催化层 / 电解质膜界面 , 氢气反应 

生成质子 , 质子结合水分子形成水合质子 , 受电场力作用从阳极区迁移到阴极区 , 

这部分与质子结合从阳极传导到阴极的水流量称为电迁移水流量 ; 二是浓差扩 

散 , 随着气道深入 , 电池阴极不断有更多的水生成 , 而对应的阳极区的水气浓度 

不断降低 , 导致从阴极到阳极的一个水浓度梯度的形成 , 电解质膜两侧的水的浓 

度差成为推导水从阴极侧向阳极侧扩散 , 该部分扩散流量称为水的浓差扩散流 

量 ; 三是静压差扩散 : 在中高电流密度工作条件下 , 电迁移水流量远大于水的浓 

差扩散流量 , 导致阳极气道中后部对应的电解质膜中失水严重。为弥补这一差异 , 

电池阴极气体压力经常保持大于阳极压力 1~2atm, 该静压差将导致一部分阴极 

水向阳极区传递 , 这部分水传递量称为水的压差扩散流量。 

10


为保证燃料电池在高电流密度下工作过程中阳极的供水量 , 燃料电池需要通 

过外部增湿器对阳极燃料气增湿 [18,19] , 以避免质子交换膜严重脱水造成电池性能 

下降甚至电池失效。 

另外 ,PEMFC 的性能与电池内部的热量传递同样紧密相关。一方面 , 温度 

升高 , 促进气体传质过程 , 可以降低扩散过电位 ; 提高反应速度 , 可以减小极化 

过电位 ; 降低质子在电解质膜中的传导阻力 , 减小欧姆过电位。另一方面 , 温度 

升高 , 电池电动势值下降 ( 结论推导见附录一 ), 理想热效率降低 ( 结论推导见 

附录二 ); 温度过高 , 例如超过水沸点 , 会导致膜严重脱水而发生 “ 干死 ” 现象 , 

从而会导致电池欧姆电阻急剧升高 , 效率下降。综合上面的因素 , 电池工作温度 

一般控制在 60~100°C。 

高电流密度工作时 , 为控制燃料电池温度 , 需要采取一定的冷却措施。典型 

的做法是在流场板外侧加两块冷却板 , 冷却板上刻槽 , 从而可以在流场板和冷却 

板之间通入冷却剂 —— 空气或者水 [10,18] 。 

1.2.3 燃料电池汽车国内外研究现状 

1.2.3.1 燃料电池汽车国外发展概况 

随着燃料电池技术的不断发展 , 将其作为动力源的燃料电池汽车的迅猛发展 

和商业化的推进席卷了整个世界 , 其高效率、无污染、零排放、无噪音等高科技 

优势 , 代表了未来汽车使用新型能源和先进科技以及追求环保的发展趋势 , 领导 

着汽车工业革命的新潮流。目前 , 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 作为第 5 代燃 

料电池由于其特有的优点被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。世界上 

各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了相关政策或法规 , 并投入大量资金对质子 

交换膜燃料电池汽车进行研究与开发 , 竞相推出各种类型的质子交换膜燃料电池 

汽车。20 世纪 90 年代以来 , 自加拿大 Ballard 公司与奔驰、福特等汽车公司联合推 

出燃料电池汽车示范运行以来 , 燃料电池汽车已经成为汽车工业发展的重要组成 

部分。几乎所有世界汽车工业巨头都加入燃料电池汽车研发行列 , 迄今为止 , 已 

经有数百辆各种类型的燃料电池汽车在世界各地示范运行 [20] 。 

早在 1990 年 10 月份 , 美国加利福尼亚洲大气资源局 (CARB) 就提出了世界上 

第一个限制汽车废气排放的 “ 零排放 ” 法案。1992-2001 年 , 仅美国能源部就拨 

11


款 7 亿美元 , 用于燃料电池的开发 , 拨款 1380 万美元用于推广 , 协助美国通用汽 

车公司开发车用燃料电池 [21] 。近几年 , 布什政府提出 “ 自由轿车 ”(Freedom car) 

项目以及 “ 自由燃料 ”(Freedom fuel) 计划 ( 氢计划 ), 总共耗资 17 亿美元 , 从事氢 

能燃料电池、氢能基础建设与尖端车辆科技的发展。2005 年以来 , 美国能源部、 

通用汽车公司和戴姆斯 —— 克莱斯勒合作开发新一代燃料电池车 , 成果显著。有 

通用汽车公司的 Hywire 线传控燃料电池车、“ 氢动三号 ”(HydroGen3) 燃料电池 

车、Sequel 氢燃料电池车等 , 以及福特汽车公司的福特 Focus FCV 一款燃料电池 

概念车、专门为批量生产而设计的福特 U 型车 ( 其动力来自于世界第一台增压氢动 

力内燃机 , 再配以混合电动变速器 ,U 型车开创了福特汽车公司继 T 型车后的第 

二个新纪元 ) 等等。据报道称 , 美国能源部计划燃料电池汽车数量 2010 年不少于 

l0*10 4 辆、2020 年不少于 250*10 4 辆。交通部计划 2015 年新增公交车的 10% 为燃料 

电池汽车 [22] 。 

日本从 1993 年起就开始实施 “ 世界能源网络 ” 计划 , 深入研究氢及其基础设 

施技术 , 希望到 2020 年逐步推广氢能。2002 年 , 日本成立氢能与燃料电池展示项 

目组 , 当年投资 20 亿日元 , 次年又投资 25 亿日元。日本经济产业省提出的目标是 

在 2010 年前要把燃料电池发动机的价格降低到普通汽油发动机的水平 , 并从政府 

机关开始普及燃料电池车 , 计划 2010 年燃料电池轿车达到 5*10 4 辆 ,2020 年为 

500*10 4 辆 ,2030 年为 1500*10 4 辆 [22] 。日本丰田汽车公司己经开发出由氢气和电 

力驱动的第五代燃料电池电动汽车 “FCHV-5”, 并向美国加州燃料电池合作组织 

提供样车进行实车道路试验 ; 本田汽车公司 1999 年开始第一辆 FCX-V1( 功率 60 

kW/PEM, 最高时速 130km/h) 的开发 , 到 2005 年 , 它的 05 款 FCX 燃料电池汽车己 

经通过美国环境保护局 (EPA) 和加利福尼亚空气资源委员会 (CARB) 的认证 , 可以 

上路行驶。 

加拿大政府投入 21.5 亿加元进行 “ 氢能早期采用者计划 ”, 用于开发新概念 , 

包括氢能高速公路的建设。“ 加拿大运输燃料电池联盟 ”, 政府出资 2300 万加元 

开发展示燃料电池车。 

2004 年 10 月 , 在上海举办的米其林必比登挑战赛上 , 通用汽车展示了世界上 

第一辆可驾驶的线传控燃料电池车 Hy-wire, 同时也展示了通用最接近量产的 “ 氢 

动三号 ”。VOLVO 公司也首次向全世界展示 3CC 燃料电池概念车 , 还有大众的 

12


途安 HyMotion, 日产公司的 XTRAIL, 福特公司的 Focus FCV, 标致雪铁龙集团 

的 QUARK, 奥迪公司的 A2 等燃料电池轿车都一一亮相。可见 , 世界各大汽车公 

司在新能源汽车上的竞争是非常激烈的。 

目前 , 已经有 10 多个国家 30 个城市进行过或正在进行燃料电池公共汽车示范 

项目。美国加州推出了燃料电池汽车合作伙伴计划 (California Fuel Cell Vehicle 

Partnership, 简称 CaFCP), 首府萨克拉门托市成为全世界燃料电池汽车示范基地 , 

在那里建立了加氢站、燃料电池维修站 , 其伙伴成员包括 32 个公司和组织 , 戴姆 

勒 —— 克莱斯勒、福特、通用、本田、日产、丰田、大众和韩国的现代等汽车公 

司 , 以及 Ballard、UTC—Power、BP、壳牌、德士古、埃索石油公司、加州大气 

资源委员会、加州能源委员会、加州南海岸空气质量管理局、美国能源部、美国 

交通部等燃料电池与燃料生产公司均参加了展示性运营与试验 [20] 。该项目于 

1999 年 4 月启动 , 至今已有几十辆燃料电池汽车在加州示范及试用 , 包括燃料电 

池公共汽车从 2001 年开始已进行了三轮示范运行 , 最近一轮从 2004 年 11 月开始 , 

拥有 7 辆公交车的 3 个公交公司在加州洛杉矶、圣荷塞 ( 硅谷 )、旧金山进行示范 

运行 , 从 2001~2006 年中在加州燃料电池公交车累计示范里程已达 165000km [23] 。 

2003 年 , 欧盟发布了氢发展构想报告和行动计划 , 投资 20 亿美元 , 计划到 2030 

年使氢燃料车的比例达到 15%,2040 年至少翻一番 , 并创立欧洲氢燃料电池合作组 

织。2001 年 l1 月启动的 “ 欧洲清洁城市交通 (CUTE)” 燃料电池公共汽车示范项目 

是欧洲最大、最先进的氢能交通示范项目 , 该项目总投入 5240 万欧元 , 其中欧盟 

拨款 1850 万欧元 , 支持阿姆斯特丹、斯德哥尔摩、斯图加特、卢森堡、马德里、 

波尔图、巴塞罗那、冰岛、澳大利亚珀斯、汉堡、伦敦等 11 个城市的燃料电池公 

共汽车示范项目 [22] , 进行大规模的燃料电池公共汽车示范试验。该项目于 2006 

年 5 月结束第一期示范计划 , 目前二期计划正在实施 , 开展示范的 36 辆燃料电池 

公共汽车已累计运行 200 多万 km, 积累了大量实际运行经验 ; 同时 , 在公众普及 

氢、燃料电池和清洁交通的知识 , 提高公众对燃料电池汽车和氢能基础设施的认 

知和接受程度 , 并听取公众、乘客意见。德国宝马汽车公司旗下的 BMW 品牌也 

隆重推出了其在氢动力方面的杰出代表 ——H2R 氢能试验赛车 “ 车速世界纪录氢 

燃料赛车 ” [23] 。 

13


1.2.3.2 燃料电池汽车国内发展概况 

与世界其他国家一样 , 在国家政府、汽车企业和高校的共同努力下 , 中国新 

能源汽车的研发工作也在如火如荼的进行着。2001 年以来 , 我国先后实施 “ 十五 ” 

国家高新技术研究发展计划 ( 简称 863 计划 )“ 电动汽车 ” 和 “ 节能与新能源汽 

车 ” 等重大专项 , 该计划是我国有史以来最大的新能源汽车科技专项项目 , 总体 

投入 24 亿人民币 , 三大汽车集团、112 家科研单位参与研发 , 同时制订了三大战 

略目标 ( 实现我国车用洁净燃料的战略转换 , 减轻对石化能源需求的压力 ; 跳出 

先污染再治理的怪圈 , 首先解决大城市公交问题 , 改善城市大气环境 ; 跨越式发 

展 , 在世界汽车工业新一轮竞争中占领制高点 )、“ 三横三纵 ” 研发布局 ( 三横 : 

纯电动车、混合动力汽车、燃料电池汽车 ; 三纵 : 电池、电机、控制系统的零部 

件 ) 和新能源汽车发展战略 ( 优先发展燃料电池汽车 ), 有力地推动了我国燃料 

电池汽车技术的发展 , 从燃料电池发动机到动力系统总成 , 我国的燃料电池研究 

从实验室走向试验场。在技术上 , 动力蓄电池、驱动电机、燃料电池、代用燃料 

发动机等零部件的关键技术取得进步 , 整车总体性能大幅提高 [20] 。 

国内在燃料电池研究和开发方面有着先进水平的企业有 : 上海神力科技有限 

公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、北京世纪富原燃料电池有限公司、 

大连新源动力股份有限公司等。上海神力科技有限公司开发了包括车用燃料电池 

发动机、燃料电池游览车、燃料电池发电站等 5 个系列的燃料电池产品 , 其中燃 

料电池发电站、游览车已经实现了销售 , 建立了全套的中小功率 (0.1kW-30kW) 

与大功率 (30kW-15OkW) 的质子交换膜燃料电池发动机及其动力系统集成制造 

技术的设施体系 , 具备批量生产能力。北京飞驰绿能电源技术有限责任公司已开 

发出额定功率从几十瓦到几十千瓦四个系列的燃料电池电堆以及氢空、氢氧燃料 

电池 , 并且具备生产数十千瓦质子交换膜燃料电池的能力。北京世纪富原燃料电 

池有限公司研制出具有自主知识产权的 1.5kW、5kW、1OkW、30kW、45kW、 

75kW 的燃料电池电堆等。大连新源动力股份有限公司是以中国科学院大连化学 

物理研究所为主体以及兰州长城电工股份有限公司、大连盛道集团股份有限公 

司、杭州南都电源集团有限公司、海南新大洲摩托车股份有限公司、安徽宁国天 

成科技发展有限公司等六个单位联合组建的。大连化学物理研究所在燃料电池的 

研究、开发方面已经达到甚至超过了国际水平 , 该所成功组装了几十瓦、几百瓦、 

14


千瓦、五千瓦级的质子交换膜燃料电池 : 其中五千瓦的质子交换膜燃料电池的质 

量比能量为 1OOkW/L; 开创了具有我国特色的碳 (C) 铂 (Pt) 电催化剂、电极、电 

极 — 膜 — 电极三合一组件、电池双极板等尖端技术。 

近年来 , 我国在燃料电池汽车领域的技术进步与成果有目共睹。由同济大学 

开发的 “ 超越系列 ” 燃料电池轿车 , 经过多年的努力 , 已经相继研制成功拥有完 

全自主知识产权的超越系列第三代燃料电池轿车 , 如今 “ 超越三号 ” 的主要性能 

指标直逼国际先进水平 , 百公里加速时间为 19s, 最高车速 122km/h,100km 耗氢 

为 1.12kg( 相当于汽油 4.23L)。对 2005 年完成的 10 辆 “ 超越三号 ” 燃料电池轿 

车驶向上海街头 , 进行了 10 万公里可靠性、耐久性试验研究 , 开始商业化示范运 

行。超越系列燃料电池轿车均采用上海神力科技有限公司生产的燃料电池发动 

机。2006 年底 , 由上燃动力、同济大学与上汽集团合作开发的 “ 超越 ” 系列第四 

代动力系统平台并搭载自主品牌荣威车型的新一代 “ 上海牌 ” 燃料电池轿车 , 最 

高车速达到了 150km/h, 百公里加速时间 15s, 一次加氢续驶里程达到 300km [20] 。 

清华大学牵头承担了国家 “ 十五 ”863 计划 “ 电动汽车 ” 重大项目中的 “ 燃料电 

池城市客车 ” 部分 , 同时分别配合一汽、东风、长安三家汽车公司的混合动力轿 

车项目 , 承担了其中的核心关键技术 —— 混合动力控制系统课题 , 开发了 “ 清能 

系列 ” 燃料电池城市客车。现在 ,“ 清能 1 号、2 号、3 号 ” 三辆燃料电池城市客 

车已经经过了三万公里的道路考核试验 , 其主要性能指标 ( 燃料经济性 ) 大大优 

于国际主流车型。2004 年 8 月武汉理工大学与东风汽车公司联手 , 成功研制出以 

25kW 氢燃料电池作为动力的轿车 “ 楚天一号 ”, 其电池发动机在同济大学国家 

定点实验平台全面测试后 , 主要性能指标均达到设计要求。 

2003 年 11 月 , 科技部代表中国政府参加了氢能经济国际合作伙伴 (IPHE), 

成员包括美国、日本、加拿大、印度、巴西等在内的 15 个国家和欧盟成员国。这 

一合作计划旨在推动氢能和燃料电池领域的国际合作 , 以协调和促进世界各国在 

氢能和燃料电池方面的研发工作 , 加速全球氢能经济时代的到来。我国燃料电池 

公共汽车示范项目是由科技部和全球环境基金 (GEF)、联合国开发计划署 

(UNDP) 支持 , 北京市和上海市共同组织实施的 , 该项目于 2003 年 3 月 27 日在 

北京启动。目前 , 在北京运行的 3 辆燃料电池公交车从 2006 年 6 月开始至 2007 年 10 

月已安全运行 9 万多 km, 车辆完好率达到 92%, 在氢气安全试用、车辆认证方法、 

15


车辆维护以及人员培训等方面积累了有益经验。同时 , 为燃料电池公共汽车配套 

的全国第一个加氢站于 2006 年 11 月投入运行。我国成为 UNDP 和 GEF 支持的第一 

个燃料电池公交车实施示范运行的发展中国家 [23] 。 

[23] 

1.2.3.3 燃料电池汽车发展存在的主要问题 

近 10 年来 , 在燃料电池汽车技术领域已经取得了很大的进展 , 如燃料电池功 

率密度不断提高 , 加拿大巴拉德公司从 1989~2001 年将燃料电池堆体积功率密度 

提高了 25 倍 ,2003 年研制的燃料电池发动机 Xcellsisi HY80 采用 902 堆 , 最大输出 

功率为 68kW, 体积为 220L, 质量为 220kg, 体积和质量功率密度分别为 309W/L 

和 309W/kg; 贵金属用量大幅度减少 , 通过技术开发燃料电池电堆的铂用量已从 

1990 年的约 5mg/cm 2 下降到 0.5 左右 5mg/cm 2 ; 燃料电池汽车能量转换效率可望继 

续提高 , 据研究 , 燃料电池汽车的能量转换总效率将来有望提高到 42%; 燃料电 

池汽车的可靠性和耐久性明显改善 , 燃料电池系统的成本也有所下降。 

虽然燃料电池汽车技术发展很快且取得了很大的进步 , 但和现在成熟的内燃 

机技术及产业化要求相比 , 在安全、可靠性、性能和价格方面还有大量工作要做。 

1. 适应性 

必须进一步提高燃料电池汽车在不同气候 ( 如高温或低温地区 )、不同环境 

( 如海拔、沙尘大、空气质量差的地区 ) 和不同交通状况 ( 如频繁变动工况或频 

繁停启工况等 ) 下的适应性。 

2. 可靠性和耐久性 

目前燃料电池电堆仅有 2000h 的寿命 , 内燃机的寿命一般是 5000h 以上。目前 

在北京示范的燃料电池公共汽车平均完好率为 92%, 而同期运营的柴油公共汽车 

平均完好率为 99.16%, 同时燃料电池公共汽车的故障率比传统车高 , 所以须进一 

步提高燃料电池汽车的可靠性和耐久性。 

3. 总能量效率 

提高燃料电池汽车总能量效率的大量研究工作正在进行 , 如本田汽车公司、 

巴拉德公司于 2006 年已把燃料电池堆的工作温度从 60~80 o C 提高至 90~95 o C, 而更 

高工作温度的燃料电池正在开发。一旦高温度 ( 工作温度 120 o C 以上 ) 研发成功 , 

燃料电池技术将会有根本性的突破。此外 , 各种制氢储氢的新技术也在发展之中。 

16


4. 燃料电池的成本过高 

车用的燃料电池基本为质子交换膜燃料电池 , 目前质子交换膜燃料电池的价 

格 $5000/kW 左右 , 一辆使用 25kW 质子交换膜燃料电池的 FCV 单纯燃料电池的成 

本就达到 $125000, 这是市场无法接受的。造成燃料电池高成本的原因有三方面 : 

首先是质子交换膜的价格过高 , 以目前使用最广泛的美国杜邦公司生产的 Nafion 

系列全氟化磺酸膜为例 , 它的价格是 $500~$600/m 2 , 25kW 的质子交换膜燃料电池 

至少需要 5m 2 的膜 , 光是膜的成本就达到 $3000; 其次是燃料电池电极催化剂使 

用贵金属铂 , 目前国际上铂的均价在 $700/ 盎司 (1 盎司 =28.35 克 ), 以目前技术水 

平 0.4-0.2mg/cm 2 的单位膜面积铂使用量计算 ,25kW 的质子交换膜燃料电池需要 

大约 20 克的铂 , 成本超过 $500, 为了降低铂的用量 , 采用纳米技术、开发非铂催 

化剂等研究工作也在进行 ; 此外燃料电池早期研发时选用的零部件是当时已有的 

通用件 , 随着研究工作的深入 , 现在已发展各种专门技术公司及专用零部件公司 , 

从而为提高可靠性和耐久性、改进性能和降低成本创造条件 ; 最后由于质子交换 

膜燃料电池产量过低 , 这也是导致其成本过高的一个主要原因。 

5. 氢气的制取、运输和存储困难 

质子交换膜燃料电池最理想的燃料是纯氢 , 由于自然界不存在氢气 , 氢气需 

要人工制取。目前常用的制氢方法是电解水制氢、裂解石油、煤和天然气制氢 , 

制取的过程会消耗大量的能源。另外氢气比重轻 , 室温下呈气态 , 如果以压缩状 

态储存在高压容器中 , 为了获得与内燃机车相当的续驶里程需要很大容积的储气 

罐 , 这必然会给汽车的布置带来困难 ; 以液态方式储氢可以解决续驶里程与整车 

布置的矛盾 , 但是将氢气液化有两大难点 , 一是氢液化会消耗相当于所液化的氢 

气所含的 60% 的能量 , 而且车载冷却装置成本昂贵。二是液氢储存容器的绝热问 

题 , 由于储槽内液氢与环境温差大 , 液氢的蒸发损失较严重 , 若是一段时间不使 

用液化的氢 , 那么液氢可能由于蒸发损失被损耗 , 同时也存在安全隐患。其他储 

氢方法比如金属氢化物储氢等技术目前还尚未成熟。 

6. 加氢基础设施不完善 , 建设成本昂贵 

FCV 的推广需要加氢基础设施的支持 , 目前只有少数国家的极少数地区建有 

加氢站 , 如美国的加利福尼亚和德国的慕尼黑等。加氢站作为氢的生产、存储、 

输送、加注的全过程系统 , 对其安全性要求很高 , 如防渗透、防泄露、防爆炸等。 

17


内燃机车的加油站经过近百年的发展已经形成了完善的网络 , 加氢站从建立到形 

成完善的网络需要很长的时间以及巨大的投入。 

1.2.4 燃料电池汽车仿真研究现状 

燃料电池汽车是一个非常复杂的系统集成 , 研发成本高 , 难度大 , 而且由于 

缺乏经验和知识积累 , 燃料电池的实验研究具有一定的危险性。随着计算机技术 

的发展 , 建模仿真技术已经成为汽车研发过程中的一个重要手段。通过仿真分析 

可以灵活地调整设计方案 , 合理优化参数 , 预测不同操作条件下的系统性能 , 有 

助于样车的制造和试验。 

动力系统是燃料电池汽车的核心部分 , 是决定整车性能的关键 , 也是其不同 

于传统内燃机汽车和其他类型电动汽车的标志 , 因此 , 对燃料电池汽车动力系统 

进行研究具有非常重要的意义。近年来 , 国内外学者对于燃料电池汽车动力系统 

的模拟研究主要分为两类 , 一类是针对燃料电池本身 , 另一类的应用层次更高 , 

主要针对燃料电池系统层面上的模拟。 

对燃料电池本身的建模主要集中在质子交换膜燃料电池上 , 又可分为经验模 

型和机理模型 , 经验模型由于结构简单可以大大缩短建模时间 , 早在 1995 年 , 

[24] 

Kim 等人就建立了一个描述电压与电流密度之间关系的经验模型 , 模型在不同 

的电池温度、压力和气体流量下都和实验得到的实际数据吻合的较好 , 如图 1-2 

和图 1-3 是电池温度分别在 50 0 C 和 70 0 C 时不同阴极压力下的模拟结果。 

图 1-2 电池温度 50℃ 时的模拟结果 

图 1-3 电池温度 70℃ 时的模拟结果 

Fig. 1-2 Modeling results at 50℃ Fig. 1-3 Modeling results at 70℃ 

18


[25] 

Pisani 等人开发了一个半经验模型 , 认为 PEMFC 电压的非线性衰退主要是由阴 

极反应区域的各种变化引起 , 为了探索这些影响 , 作者假设阴极扩散层是网状结 

构并可以顺利通过汽液混合物 , 催化层只能传输气体而液体只能以渗透的方式通 

过。该模型大部分是基于质量传递和转化的机理方程 , 唯一的经验方程项是计算 

欧姆过电压。模型中所有的参数都具有特定的物理意义 , 将模型计算的结果与若 

干其他文献中报道的真实实验数据比较发现 , 模型预测结果与实验结果非常吻 

[26] 

合。最近 ,Alejandro 等人也开发了一个半经验模型 , 模型描述了气体流道和 

[27] 

气体扩散层中各组分的流体动力学、热传导动力学和温度影响。Saengrung 等人 

还运用神经网络模型求解 PEMFC 系统的各项参数 , 包括电堆电压、电堆温度、 

电堆电流、空气流量和温度、氢气流量和压力等。在整个 PEMFC 系统中 , 空气 

流量由压缩机控制 , 电堆温度由排风扇控制 , 氢气压力保持恒定 , 热交换器控制 

氢气和空气的湿度。建模过程中 , 作者用了反向传播 (BP) 和径向基函数 (RBF) 

神经网络两种方法 , 以空气质量流量和电堆温度为输入变量 , 电堆压力和电流为 

输出变量求解 , 通过大量实验数据训练模型 , 结果表明神经网络模型预测的结果 

基本与实验数据吻合 , 只是在系统启动阶段的效果不甚理想。在经验模型开发过 

程中 , 神经网络方法一直是很重要的求解方法之一 , 在 Saengrung 之前 , Nitsche、 

[28,29] 

Tirnovan 等人也用黑箱模型来描述 PEMFC 系统 , 模拟结果同样非常令人满 

意 , 如图 1-4 所示。 

图 1-4 电池温度分别在 50℃(a) 和 70℃(b) 时不同阴极压力下的结果 (‘+’ 为实验值 ) 

Fig. 1-4 Fuel cell voltage approximated characteristic at T=50℃ and T=70℃, for three 

different cathode pressures: 1,3 and 5atm(‘+’experimental data) 

机理模型则更有利于对电池堆内部结构和工作原理的研究 , 并已经从一维模 

19


型发展到了三维模型 , 一维模型一般来讲是针对单电池 ,PEMFC 单体的结构包 

括 7 个部分 : 阳极流道、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极流道、阴 

极扩散层、阴极催化层。第一代的模型大多专注在反应物、产物在电极、气体流 

道和质子交换膜间的传递 , 只考虑沿着电池厚度的一维方向 , 对电池单体建立一 

维模型。二维模型比一维模型多考虑了沿流道方向的变化 , 更贴近 PEMFC 工作 

时的实际过程 , 基本上是围绕气道内气体及水的流量变化、浓度变化、能量变化、 

流速、压力等这些因素进行研究 , 对更好的了解 PEMFC 内部结构以及各个参数 

之间的优化起了很大的作用。随着计算机技术的不断发展 , 对整个燃料电池三维 

方向上的建模工作也越来越多 , 如图 1-5 [30] 所示的 X、Y、Z 方向。三维模型能够 

详细地描述 PEMFC 中各个参数在整个空间中的分布。近年来 , 越来越多的高级 

计算方法如 CFD 方法等运用到燃料电池的建模过程当中 , 使得进一步深入研究电 

池内部影响反应的因素、物料的分布、能量的分布等成为可能。 

图 1-5 三维方向的模拟示意图 

Fig. 1-5 Three-dimensional computational domain 

对于燃料电池汽车动力系统的仿真是以电池堆模型为基础 , 再结合相 

应的配套设施 , 如气体供应系统、水热管理系统等相关模型 , 仿真分析整 

个汽车动力系统的工作情况。由于系统层面上的模拟研究相对复杂 , 工作 

量大 , 而且对实验设备的要求也非常高 , 因此国内外对于这方面的研究相 

对较少。其中 , 美国加州 Davis 分校 , 依靠 PNGV 和 Freedom CAR 项目 , 专门成 

立了 “ 燃料电池汽车模拟工程 ” 小组 , 基于 Matlab/ Simulink 的强大功能 , 建立了 

比较完整的燃料电池车仿真平台。国内同济大学、武汉理工大学等高校也在积极 

20


建设整车仿真平台 , 不过 , 目前国内外各研究单位一般都是采用自己的仿真平台 , 

尚无一个完全成熟的被普遍接受的燃料电池仿真平台。 

1.3 本文课题来源与研究内容 

本课题是国家 973 计划和 863 计划 ( 批准号 :2007CB209707, 2007AA05Z145), 

上海市科委项目 ( 批准号 : 06SN07115, 07JC14024) 的重要组成部分。 

本文的出发点是旨在建立质子交换膜燃料电池汽车动力系统的稳态模型 , 以 

Matlab/Simulink 软件为仿真平台 , 综合机理模型和经验模型的优点。整个动力系 

统中燃料电池堆是核心部分 , 除了电池堆之外 , 还有燃料供应系统 ( 氢气和空气 

供给 ) 和水热管理系统等作为辅助系统。分别建立电池堆模块、燃料供应模块和 

水热平衡模块 , 齐集成为一套完整的车用燃料电池汽车动力系统模型。重点分析 

物料流量、压力、电堆温度、环境温度等不同操作条件对系统性能的影响。 

另外 , 为了验证所建立的模型是否准确 , 是否可以作为燃料电池汽车动力系 

统稳态分析的工具 , 本文将自主搭建一套单电池测试系统 , 对整个动力系统中最 

重要的电池堆模块进行实验验证 , 通过实验验证可以更好的修正模型参数 , 提高 

模型精度。本文的研究为燃料电池汽车动力系统过程工艺的设计提供了理论指 

导 , 并在整车的设计过程中 , 也有利于缩短研究周期 , 节约设计成本。 

1.4 本章小结 

本章首先介绍了燃料电池汽车开发的时代背景 , 进而阐述了燃料电池汽车的 

技术优势 , 国内外发展现状以及它在近期内发展所存在的主要问题。其中还详细 

介绍了质子交换膜燃料电池技术的发展概况。然后 , 本文从燃料电池堆建模与系 

统建模两个方面简要介绍了燃料电池汽车的仿真研究情况 , 最后指出了本文的课 

题来源与研究内容。 

21


第二章燃料电池汽车动力系统模型建立与分析 

本章将阐述燃料电池汽车动力系统各个主要模型的建立过程 , 所有模型都在 

Matlab/Simulink 软件上实现模块构建和计算。 

2.1 仿真软件 Matlab/Simulink 介绍 

Matlab 产品家族是美国 MathWorks 公司开发的用于概念设计、算法开发、 

建模仿真、实时实现的理想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开 

发思路 , 使得 Matlab 在多种领域都有广阔的应用空间 , 特别是在 Matlab 的主要 

应用方向 —— 科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业 

内的首选设计工具 , 全球现有超过五十万的企业用户和上千万的个人用户 , 广泛 

的分布在航空航天 , 金融财务 , 机械化工 , 电信 , 教育等各个行业。在 Matlab 

产品家族中 ,Matlab 工具箱是整个体系的基座 , 它是一个语言编程型 (M 语言 ) 

开发平台 , 提供了体系中其他工具所需要的集成环境 ( 比如 M 语言的解释器 )。 

同时由于 Matlab 对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计 

算能力。 

Matlab 产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更是引入了 Simulink, 其 

框图化的设计方式和良好的交互性 , 对工程人员本身计算机操作与编程的熟练程 

度的要求降到了最低 , 工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上去。 

在 Matlab/Simulink 基本环境之上 ,MathWorks 公司为用户提供了丰富的扩展资 

源 , 这就是大量的 Toolbox 和 Blockset。从 1985 年推出第一个版本以后的近二 

十年发展过程中 ,Matlab 已经从单纯的 Fortran 数学函数库演变为多学科、多领 

域的函数包和模块库的提供者。使得用户可以方便的进行具有开创性的建模与算 

法开发工作 , 并通过 Matlab 强大的图形和可视化能力反映算法的性能和指标。 

所得到的算法则可以在 Simulink 环境中以模块化的方式实现。 

Simulink 是一个可以进行建模、仿真和分析的软件包 , 它支持连续、离散及 

两者混合的线性和非线性系统 , 也支持具有多种采样频率的系统。在 Simulink 

环境中 , 利用鼠标就可以在模型窗口中直观地 “ 画 ” 出系统模型 , 然后直接进行仿 

真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口 , 采用这种结构画模型就像你用 

22


手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比 , 具 

有更直观、方便、灵活的优点。Simulink 包含有 SINKS( 输入方式 )、SOURCE 

( 输入源 )、LINEAR( 线性环节 )、NONLINEAR( 非线性环节 )、CONNECTIONS 

( 连接与接口 ) 和 EXTRA( 其他环节 ) 子模型库 , 而且每个子模型库中包含有 

相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。 

用 Simulink 创建的模型可以具有递阶结构 , 因此用户可以采用从上到下或 

从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型 , 然后用鼠标双击其 

中的子系统模块 , 来查看其下一级的内容 , 以此类推 , 从而可以看到整个模型的 

细节 , 帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后 , 

用户可以通过 Simulink 的菜单或 Matlab 的命令窗口键入命令来对它进行仿真。 

菜单方式对于交互工作非常方便 , 而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。 

采用 SCOPE 模块和其他的画图模块 , 在仿真进行的同时 , 就可观看到仿真结果。 

除此之外 , 用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的 

结果还可以存放到 MATLAB 的工作空间里做事后处理。 

模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、Matlab 的许多工具及 Matlab 

的应用工具箱。由于 Matlab 和 Simulink 的集成在一起的 , 因此用户可以在这两 

种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。 

2.2 建立系统数学模型 

在实际应用中 , 燃料电池汽车动力系统的工作压力和反应气类型的选择要考 

虑储存反应气的气瓶在车载时所受到的重量和尺寸限制、汽车续航里程的要求、 

燃料的经济性、系统工作的安全性和噪音等问题。本文的模拟对象采用高纯氢和 

空气作为反应气 , 其中氢气充装于高压储罐内 , 经减压阀再进入电池堆 , 空气供 

给采用无油型螺杆压缩机压缩至一定压力 , 经加湿后进入电池堆进行反应。 

2.2.1 燃料供应模块 

2.2.1.1 压缩机模型 

压缩机主要用于为燃料电池提供高压空气 , 燃料电池专用的空气压缩机不仅 

23


需要满足无油润滑的结构设计 , 而且对它的重量、体积、变转速运行特性以及电 

堆参数变化的动态响应性能等都提出了严格的要求。具体来讲一是较高的能量转 

化率 , 在车辆行驶过程中 , 空气压缩机工作的动力来源是燃料电池的电能输出 , 

若压缩机占用较多的输出电能 , 必然会减少汽车的驱动功率 , 从而影响整车性能 ; 

二是燃料电池中的质子交换膜要求压缩空气完全无油 , 并且具有一定的湿度 , 因 

此通常使用的喷油冷却压缩机就不适合应用在这一领域 ; 三是车载环境要求压缩 

机部件在能够提供较大空气排量的同时具有非常小的质量、体积以及高可靠性。 

由于这些要求的存在 , 使得目前广泛应用的工业压缩机无法满足燃料电池汽车的 

要求。 

压缩机流量是每转排量和转速的乘积 , 在保持输出流量不变的前提下 , 提高 

压缩机转速可以有效地降低每转排量 , 通常容积式压缩机的排量和体积成线性关 

系 , 因此提高转速也就意味着可以减小压缩机体积。螺杆压缩机是一种以工作容 

积做回转运动的容积式气体压缩器械 , 气体的压缩依靠容积的变化来实现 , 而容 

积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内做回转运动来达到 , 其结构如图 

2-1 所示。这种压缩机在运转过程中能够保持良好的动平衡特性 , 从而为高速运 

转提供了可能。与活塞压缩机的区别是它的工作容积在周期性扩大和缩小的同 

时 , 其空间位置也在变更。只要机壳上合理地配置吸、排气孔口 , 就能实现压缩 

机的基本工作过程 —— 吸气、压缩和排气 [31-33] 。 

图 2-1 螺杆压缩机结构示意图 

Fig. 2-1 Structure of screw compressor 

为了使模型在满足基本精度的前提下快速、经济地得到计算结果 , 本文做了 

24


适当的简化和假设 , 如压缩机的吸排气腔容积无限大 , 即认为吸排气腔没有压力 

脉动 , 其压力分别对应于名义吸排气压力 ; 控制容积内各点分布均匀 , 各点气体 

都具有相同的状态参数 ; 且气体绝热流动。总的来说 , 该压缩机是在理想情况下 , 

即无摩擦、无热交换、无泄漏、无吸排气压力损失的情况下进行吸气、压缩和排 

气。如果被压缩气体为理想气体时 , 螺杆压缩机的等熵绝热功率 

算 : 

P ad 

可按下式计 

κ −1 

κ pd 

κ 

P 

ad 

= psqv 

(( ) −1) 

(2-1) 

κ −1 

p 

s 

式中 , p 为压缩机的吸气压力 (Pa), p 为排气压力 (Pa), κ 是被压缩气体 

s 

的等熵指数 , q v 

为压缩机的实际容积流量 (m 

3 /s)。由于等熵绝热功率是理想状 

态下的压缩机功率 , 它与实际功率 P 

压缩机的实际消耗功率为 : 

P 

comp 

P ad 

ad 

comp 

d 

的比值称为绝热效率 , 用 η 表示。因此 , 

= / η 

(2-2) 

ad 

绝热效率 η 

ad 

反映了压缩机能量利用的完善程度 , 其数值依机型和工况不同而有 

明显的差别。一般在低压力、大中容积流量时 , η ad 

积流量时 , η ad 

取 0.65-0.75。 

取 0.75-0.85; 高压力、小容 

2 

qH 2_in 

-K- 

0.3 

Gain 1 

2 

qH 2_out 

1 

qO2_in 

Gain 2 

3 

qO2_out 

-K- 

1.2 

Constant 1 

Gain 3 

f(u) 

Fcn 

-K- 

Gain 5 

-K- 

Gain 4 

Product 

1 

Power _compressor 

图 2-2 压缩机模型 Simulink 仿真界面 

Fig. 2-2 Simulation GUI of compressor model in Simulink 

2.2.1.2 气体分压模型 

该模型主要是求得氢气、氧气和水蒸气在两极中的分压。实际过程中 , 往往 

使氧气过量让氢气尽可能多的参与反应 , 因此可通过氢气流量计算电池堆电流 : 

25


I 

= uFq 

in / N 

(2-3) 

2 

H2 

其中 u 为燃料利用率 , F 为法拉第常数 (C*kmol 

-1 ), N 为单电池个数。电 

池中水蒸气的含量对 PEMFC 的性能影响很大 , 需要加湿来保证质子交换膜的离 

子传导性 , 一般均采用饱和增湿 , 即两极中水蒸气的分压等于其在该温度下的饱 

和蒸气压 p 

2 

(1 标准大气压 ), 求解公式如下 

[19,34] : 

H O 

log( 

p 

H 2 O 

) = 2.95 × 10 

− 9.18 × 10 

−2 

−5 

⋅ ( T − 273.15) 

⋅ ( T − 273.15) 

2 

+ 1.44 × 10 

−7 

⋅ ( T 

− 273.15) 

3 

− 2.18 

(2-4) 

⎡ 

⎤ 

⎢ 

⎥ 

氢气分压为 : 

⎢ 1 

p ⎥ 

H 

= 0.5 ⋅ pH 

O 

⋅ 

−1 

(2-5) 

2 

2 

⎢ ⎛1.653⋅ 

( I / A) 

⎞ pH 

O ⎥ 

2 

⎢exp⎜ 

⎟ ⋅ 

1.334 

⎥ 

⎣ ⎝ T ⎠ p a ⎦ 

氧气分压有两种情况 , 当反应气为氧气时 : 

⎡ 

⎤ 

⎢ 

⎥ 

⎢ 

1 

p ⎥ 

O 

= p ⋅ 

−1 

(2-6) 

2 H2O 

⎢ ⎛ 4.192 ⋅ ( I / A) 

⎞ pH 

O 

⎥ 

2 

⎢exp⎜ 

⎟ ⋅ 

1.334 

⎥ 

⎣ ⎝ T ⎠ p c ⎦ 

当反应气为空气时 : 

⎛ 0.291⋅( 

I / A) 

⎞ 

pO 

= p − pH 

O 

− p 

N 

⋅exp⎜ 

⎟ (2-7) 

2 c 2 

2 

0. 832 

⎝ T ⎠ 

其中 p 和分别为阳极、阴极入口压力 (1 标准大气压 ), 为空气中氮 

a 

pc 

p N 2 

气在流道内的分压 (1 标准大气压 ),T 为电池温度 (K), A 为电极有效面积 

(cm 2 ), I 是电池电流 (A)。 

3 

fi 

273 .15 

Constant 

4 

T_cell 

f(u) 

Prat _H20 

Product 1 

3 

PH2O_rat 

Display 4 

2 

Pa 

f(u) 

Fcn1 

Product 2 

1 

PH2 

Display 1 

1 

I 

5 

Pc 

f(u) 

Fcn2 

Product 3 

2 

PO2 

Display 2 

图 2-3 气体分压模型 Simulink 仿真界面 

Fig. 2-3 Simulation GUI of gas partial pressure model in Simulink 

26


2.2.2 电池堆模块 

如前文所述 , 本文采用质子交换膜燃料电池堆作为动力源。发生在质子交换 

膜燃料电池电极上的氧化还原反应可以表示为 : 

阳极氧化反应 : 2H 

2 

→ 4H 

+ + 

4e 

− 

+ − 

阴极还原反应 : O 

2 

+ 4H + 4e 

→ 2H 

2O 

电池总反应 : 2H 

2 

+ O 

2 

→ 2H 

2O 

2.2.2.1 理论可逆电压 

PEMFC 工作过程中由于活化极化、欧姆极化和浓差极化引起的不可逆电压 

损失的存在 , 实际燃料电池的电压会小于理想可逆电势。电池开路无负载时的热 

力学平衡可逆电势可由 Nernst 方程得到 : 

ΔG 

ΔS 

RT 

0.5 

E Nernst 

= + ( T −T0 ) + [ln( p 

H 

⋅ pO 

)] 

(2-8) 

2 2 

2F 

2F 

2F 

其中 T0 

是环境温度 (K), R 为理想气体常数 [J*(kmol*K) -1 ]。在标准状态下 , 

反应生成液态水 , 单电池的理想标准可逆电势为 1.229V。将标准状态下的各个 

参数值代入 (2-8) 式 , 并考虑加湿水蒸气对热力学可逆电势的影响 , 可以得到 

Nernst 方程的展开式如下 : 

E Nernst 

− 3 

−5 

0.5 

= 1.229 − 0.85 × 10 ( T − 298.15) + 4.3085× 

10 T[ln( 

p ⋅ p )] (2-9) 

H 

2 

O 

2 

[34-36] 

2.2.2.2 活化极化电压 

1905 年 ,Tafel 报道了在各种各样的电化学反应中电极表面的过电压的相似 

模式。该模式揭示了电极表面的过电压 V 与电流 i 的近似对数比例关系 : 

act 

i 

V act 

= D ln (2-10) 

i 

0 

i 0 

式中为交换电流密度 , 即电压刚好离开零点时的电流密度 ,D 为比例系数。 

对于氢燃料电池 , 

27


RT 

D = (2-11) 

2αF 

其中 α 为电荷传递系数 , 它是反映电化学反应速度变化的参量 , 与反应种类 

和电极材料的有关 , 其变化范围为 0~1。对于质子交换膜燃料电池 , 不论采用何 

种材料的电极 , 阳极电极的电荷传递系数大约为 0.5, 阴极电极的电荷传递系数 

一般在 0.1~0.5。温度的变化会对 α 产生影响 , 但温度对 α 的影响远不如对 

影响大。 

因此 , 若要改善 PEMFC 性能 , 就应使交换电流密度尽可能大。可以通过以 

下途径来达到上述目的。一是增加电池反应温度。电堆工作温度提高时 , 电催化 

剂的活性提高 , 电化学反应速度加快 ; 同时 , 质子交换膜内水扩散系数增大 , 有 

利于阴极电化学反应产生的水以气态方式排除 ; 氢离子传递速度也加快 , 膜电阻 

减小。但是 , 质子交换膜是一种有机膜 , 温度过高可能使膜脱水 , 导致离子电导 

率降低 , 严重时会导致膜的损坏。所以 , 电堆温度不能无限制增加 , 最佳温度一 

般保持在 333~353K。二是采用更高效的催化剂。催化剂对 PEMFC 交换电流密度 

的影响非常大 , 不同催化剂的影响可以相差好几个数量级。例如 , 同样操作条件 

下 , 使用 Pb 催化剂 , i 0 

=2.5×10 

-13 ; 使用 Pt 催化剂 , i 0 

=5×10 

-4 。三是增大电极的 

粗糙度。增加电极的粗糙度实际上就增加了真正的有效表面积 , 从而提高了。 

四是提高反应物浓度。一般的方法是使用纯氧替代空气做氧化剂。增加反应物浓 

度不仅可提高催化剂的利用效率 , 还可以提高开路电压。五是增加压力。增加压 

力能起到提高催化剂利用效率和开路电压的双重效果。 

活化极化过电压在阴极和阳极的电极上都有发生。PEMFC 阴极发生的是氧 

气的还原反应 , 即氧气与从阳极传递过来的氢离子反应生成水。Berger 认为 , 控 

制该反应速度的步骤是 : 

M(OH) + H 

+ → H 

2O 

其中 ,M 是表示阴极铂催化剂的活化部位 , 将其决定的电极反应速度带入 

Tafel 方程 , 就可得到阴极的活化极化过电压为 : 

U 

RT ⎡ ⎛ 0 

= ⎢ln 

⎜nFAκ 

α 

ca 

Fn ⎣ ⎝ 

⎛ ΔG 

exp⎜− 

⎝ RT 

⎞ 

⎟ × 

⎠ 

i 0 

的 

( ) ( 1−α 

) ( ) ( ) ⎞ ⎤ 

ca 1−α 

ca 

αca 

C C + ( C ) ⎟ − ln( I ) ⎥⎦ 

e 

act, ca 

ca 

O2 

H 

H2O 

⎟ 

⎠ 

i 0 

(2-12) 

28


式中 : α —— 阴极化学活度系数 ; 

ca 

n —— 电子数 ; 

0 

κ 

ca 

—— 阴极内在反应速率常数 ;(cm/s) 

Δ G e 

—— 气相标准活化自由能 ;(J/mol) 

C 

O 2 

—— 阴极膜与反应气体界面的溶解氧浓度 ;(mol/cm 3 ) 

C + —— 阴极膜与反应气体界面的溶解氢浓度 ;(mol/cm 3 ) 

H 

C 

H 2 O 

—— 阴极膜与反应气体界面的水浓度 ;(mol/cm 3 ) 

PEMFC 阳极的反应速度控制步骤是氢气的吸附过程。同样可以得到阳极的 

活化过电压为 : 

式中 : 

U 

0 

κ an 

0 RT 

( 4FA 

C ) ln I 

ΔGec 

RT 

= − + ln κ 

an H 

(2-13) 

2 

2F 

2F 

2F 

act, an 

− 

—— 阳极内在反应速率常数 ;(cm/s) 

Δ G ec 

—— 标准活化自由能 ;(J/mol) 

C 

H 2 

—— 阴极膜与反应气体界面的溶解氧浓度 ;(mol/cm 3 ) 

由于在阳极侧发生的氢气氧化反应非常快 , 因此氢气的入口浓度变化相对非 

常小 , 活化过电压通常在 0.01V 以下 , 所以大多数经验方程把公式 (2-13) 中的 

氢气浓度项视为常数 , 以简化求解过程。 

综上所述 ,PEMFC 总的活化极化电压就等于阴极和阳极的活化电压之和 , 

将 (2-12) 式简化后的 (2-13) 式合并可得活化极化过电压模型如下 : 

U 

act 

= U 

act , ca 

+ U 

act , an 

= −[ ξ1 

+ ξ 

2 

⋅T 

+ ξ3 

⋅T 

⋅ ln( CO 

) + ξ 

4 

⋅T 

⋅ ln( I )] 

2 

(2-14) 

ΔGe 

ΔG 

式中 : ξ 

1 

= − − α Fn 2F 

ca 

ec 

;(2-15a) 

ξ 

R 

0 

( ) ( 1−α 

[ ) R 

ca 

αca 

0 

nFAκ 

C ( C ) ] + [ ln( FAκ 

C )] 

2 

= ln 

ca H 

H2O 

4 

ca H 

α nF 

2F 

2 

ca 

R 

ξ 

3 

= (1 − α 

ca 

) (2-15c) 

α 

ac nF 

+ (2-15b) 

29


⎛ R R ⎞ 

ξ = − 

⎜ + 

⎟ 

4 

(2-15d) 

⎝α 

cnF 

2F 

⎠ 

ξ , ξ 是可以通过实验数据拟合得到的 , 其值具有基于动力学 , 热 

1 

ξ 

2 

, ξ3, 

力学和电化学的物理意义。 C 

4 

O 2 

可由 Henry 定律得到 

[34,37] : 

C 

O2 

= pO2 

6 

5.08× 

10 ⋅ exp( −498/ 

T ) 

(2-16) 

[34] 

2.2.2.3 欧姆极化电压 

阻抗 R 

质子交换膜燃料电池总的内阻 

electronic 

ernal 

R int 

protons 

和质子交换膜中质子的传输阻抗 R : 

由两部分阻组成 , 即电极中电子的传输 

int ernal electronic 

R = R + 

R 

protons 

(2-17) 

在 PEMFC 相对较低的工作温度下 , 电子传输阻抗是相对稳定的 , 可以认为 

[34] 

是常数。质子传输阻抗在文献中也有详细说明 , 它是质子交换膜水的含量及 

分布的函数 , 而这两者最终都与电池温度和电流有关 , 最简单的方法就是用经验 

方程来描述总的内阻与电池温度及电流的关系 , 如下式 : 

R int ernal 10 5 

− 5 

− 

= 0.01605 − 3.5× 

10 ⋅T 

+ 8× 

I 

(2-18) 

由欧姆定律可知 , 总的内阻引起的欧姆过电压可表示为 : 

U 

ohmic 

ernal 

= R 

int ⋅ I 

(2-19) 

2.2.2.4 浓差极化电压 

浓差极化过电压是由于反应物和产物在电池电极中的传递速度有限而引起 

的 , 有限大的传质度会导致电极表面附近的反应物贫乏或产物积累 , 与本体浓度 

发生偏离 , 造成电极电势偏离按照本体浓度计算的平衡值。在高电流密度时 , 浓 

差极化的作用尤其明显。由浓差极化产生的电压损失可表示为 [37] : 

U con 

J 

= −B 

ln[1 − ] 

(2-20) 

J max 

其中 B 是取决于电池和其工作状态的常数。J 是电池实际电流密度 (A/cm 2 ), 

30


J 

max 

是最大电流密度 (A/cm 2 )。 

2.2.2.5 电池堆工作电压及功率 

综上所述 , 质子交换膜燃料电池的极化包括活化极化、欧姆极化和浓差极化。 

在低电流密度时 , 活化极化起主要作用 , 在中等电流密度时 , 欧姆极化起主要作 

用 , 在高电流密度时 , 浓差极化起主要作用。因此 PEMFC 的实际工作电压可表 

示为 : 

U 

= E −U 

−U 

−U 

(2-21) 

Nernst 

act 

ohmic 

con 

如果电池堆中的单电池个数为 N , 并假设各个单电池片均匀分布 , 则电池 

堆的电压和功率可分别表示为 : 

U stack 

= N ⋅U 

(2-22) 

P 

stack 

= U ⋅ I 

(2-23) 

stack 

5 

pH2O_rat 

f(u) 

Enernst 

Display 1 

1 

pH2 

f(u) 

Vact 

Display 4 

1 

Vout_one 

2 

Tcell 

4 

PO2 

f(u) 

CO2 

f(u) 

Vconc 

Product 2 

3 

n 

2 

Vout_stack 

Vohmic 

Display 3 

6 

I 

f(u) 

Rint _Fcn 

Product 

Display 2 

图 2-4 电池堆模型 Simulink 仿真界面 

Fig. 2-4 Simulation GUI of cell stack model in Simulink 

[38-41] 

2.2.3 循环冷却水模块 

众所周知 , 水热管理对于 PEMFC 电堆来说非常重要 , 其中包括电池堆内部 

31


的水热管理以及电堆冷却水循环系统的设计 , 电堆内部的水管理如反应生成水的 

排出、加湿水量的控制等。冷却水循环系统主要是为了保证汽车运行过程中进行 

有效的电堆温度控制 , 因为温度的控制水平直接影响着 PEMFC 的性能 , 温度升 

高 , 电解质的欧姆电阻降低 , 使得电池内阻降低 , 传质速度增大 , 同时增加了反 

应气体的活性 , 降低了电池的活化极化程度。此外 , 工作温度提高 , 降低了 CO 

的化学吸附。燃料电池的工作温度同时还受到质子交换膜中水蒸汽压力的限制 , 

温度过高 , 空气中水蒸汽饱和程度下降 , 容易使膜脱水 , 导致离子电导率下降 , 

同时增加了电池堆内部水管理的难度。本文建立了质子交换膜燃料电池汽车动力 

系统中冷却水循环系统对电池堆温度的控制模型。 

2.2.3.1 热量来源 

质子交换膜燃料电池温度控制的对象为燃料电池堆的温度 , 大多依靠循环冷 

却水来带走电堆工作过程中产生的热量。PEMFC 电堆工作时 , 其热量来源主要 

有四个方面 : 化学反应热、焦耳热 ( 来自于欧姆极化 )、反应气体带入的热量和 

吸收环境的辐射热。其中反应气体带入的热量和吸收环境的辐射热相对其他几项 

来讲非常小 , 因此本文将其忽略。 

根据前文所述的发生在 PEFMC 内部的化学反应式可知 , 反应过程中生成水 , 

同时释放出热能和电能。在 25℃ 分压为 1 atm, 生成液态水时 , 反应物的焓变 ΔH 

为 -285.8 KJ/mol, 反应热为 -48.7 KJ/mol, 也就是说每摩尔的理想氢气参与反应 , 

产生 48.7 KJ 的热能和 237.1 KJ 的电能。实际情况下 , 除了反应热以外 , 还有一 

部分热量是由于内阻的存在而产生的焦耳热 , 如果假设转化为有效电能部分的反 

应焓为 Δ , 则单电池的效率 η 可以表示为 : 

G 0 

ΔG0 

2FU 

η = = 

(2-24) 

ΔH 

ΔH 

设单电池工作时氢气的消耗速率为 M H2 

(kmol/s), 它与电流的数量关系为 : 

I 

M = H 2 

2F 

(2-25) 

因此 , 根据式 (2-25) 和 (2-26) 可以计算电池堆产生的化学反应热和焦耳 

热之和 ΔQ stack 

为 : 

32


Δ 

Q stack 

( 1−η) 

= M 

H 

⋅ ΔH 

⋅ 

2 

= N ⋅ I ⋅ ( 1.481−U 

) 

(2-26) 

2.2.3.2 热量散发 

电池堆的散热主要依靠三种形式 : 未反应的尾气带走的热量、电堆的热辐射 

和循环冷却水散热。燃料电池工作时 , 输入电堆的是氢气、氧气和水蒸汽 , 排出 

的是未反应的氢气、氧气和水 , 排出的水中包括加湿带入的水和反应产生的水。 

实际电堆运行中 , 排出的水既有液态也有气态 , 而相对于液态形式的水 , 以气态 

形式排出的水带走的热量要多很多。一般情况下 , 阴极排出的气态水是饱和水蒸 

气 , 而阳极可能是未饱和的 , 也可能是饱和的水蒸气。由实验观察到液态水基本 

上是从阴极排出 , 因此 , 为计算简单 , 假设水在阴极以饱和水蒸气和液态形式排 

[39] 

出 , 在阳极只有饱和水蒸气 , 而无液态水排出。对于这部分热量 , 文献中已 

经详细计算了分别以液态水、气态水或者气液共存的形式排出时各自不同的散热 

量 , 结果表明反应的尾气带走的热量所占比例其实很小。 

b 

对于电堆的辐射热 , 可以根据以下辐射热计算公式得到 , 式中 δ 为电堆黑度 , 

σ 是波尔兹曼常数。 a 是换热面积 (m 

2 ): 

ΔQ 

rad 

4 4 

= δ ⋅σ 

⋅ a ⋅ ( T − T ) 

(2-27) 

b 

0 

对于循环冷却水带走的热量 , 根据热量公式和水的进出口温度按下式求得 : 

Δ Q = q C T − ) 

(2-28) 

W 

W 

p, w 

( T0 

其中 , C , 

是水的摩尔定压热容 [J(mol*K) 

-1 ], 可由热容公式求得 , 是 

p w 

循环冷却水的流量。 

q w 

2.2.3.3 电池堆的热平衡 

质子交换膜燃料电池堆稳定工作时 , 必须保持电堆的热平衡使电堆工作温度 

稳定 , 假设反应气带入的热量和未反应气带出的热量分别为和 Q , 则 : 

Q 

gas _ in gas _ out 

Δ Q + Q 

Q 

(2-29) 

stack 

gas _ in 

= ΔQrad 

+ ΔQw 

+ 

gas _ out 

[39] 

根据文献的计算结果 , 循环冷却水带走的热量约占总散热量的 97%~98%, 

33


反应气带入的热量、未反应气带出的热量和辐射热相对于其他几个热量来说非常 

的小 , 因此式 (2-30) 中可以忽略这几部分热量的影响。再结合式 (2-27) 和 (2-29), 

上式可以简化如下 , 从而方便地求得冷却水循环量 , 对冷却系统的设计很有帮助。 

( .481 −U 

) = q C ( T − ) 

N ⋅ I ⋅ 

(2-30) 

1 

W p, w 

T0 

2 

1 

i 

5 

Vout 

1.481 

332 

n 

Product 4 

T_cell 

7 

To 

qH 2_in 

f(u) 

T_cell^4-T0^4 

0.6 

Arad 

5.67*10^-8 

Sigma _b 

0.8 

Fi 

Qrad 

8 

f(u) 

Cp_H2 

f(u) 

3 

qH2_out 

6 

qO 2_in 

f(u) 

Cp_O2 

f(u) 

1 

qH2O 

4 

qO2_out 

-K- 

Product 5 

f(u) 

Cp_N2 

f(u) 

Cp_H2O 

qH2O=qH2 

f(u) 

0.7 

Cp,m_H2O 

0.5 

f(u) 

图 2-5 循环冷却水模型 Simulink 仿真界面 

Fig. 2-5 Simulation GUI of recycle cooling water model in Simulink 


本章首先简要介绍了 Matlab/Simulink 软件的开发商、应用领域及其内嵌的 

工具箱和功能特点。然后详细叙述了质子交换膜燃料电池汽车动力系统的模型构 

建过程 , 包括燃料供应模块、电池堆模块及水热平衡模块。 

34


fc 

f(u) 

i 

scopedata 

calculate i 

To Workspace1 

i 

PH 2 

PH2 

power_cell 

-C- 

Pa 

Pa_H2 

PO2 

PO2 

Display 5 

1 

fi 

PH2O_rat 

PH2O_rat 

Display 4 

-C- 

fi 

qO2_in 

332 

n 

Vout_one 

qO2-in 2 

-C- 

Pc 

Power_compressor 

T_cell 

qH2_out 

Pc_O2 

n 

T_cell 

i 

Vout 

qH2_out 

-C- 

qH 2-in 

qH2_in 

qO2_out 

Gas Entering 

qO2_out 

qH2O 

T_cell 

Display 2 

qO2_in 

To 

qH2_in 

-C- 

To 

-C- 

Tcell 

heat 

Display 1 

Display 3 

图 2-6 完整的系统模型 Simulink 仿真界面 

Fig. 2-6 Simulation GUI of the whole system model in Simulink 

35


第三章实验部分 

3.1 实验装置设计与搭建 

经过上一章对质子交换膜燃料电池动力系统模型的构建可以发现 , 模型当中 

有一些参数是需要实验数据来拟合得到的 , 而且对于这样一个系统的模型 , 通过 

实验数据与模型计算结果的对比就能够更好地调整模型参数 , 并验证模型的可靠 

性和合理性。然而 , 这样的测试系统在市场上很难买到 , 出于这样的考虑 , 本文 

自主搭建了一套单电池测试系统 , 整套装置的设计将包括单电池部分、管路系统、 

电子负载、温度控制系统、加湿系统、燃料供给系统和 PC 机一台 , 如图 3-1 所 

示。 

图 3-1 单电池测试装置设计图 

Fig. 3-1 Design chart of single cell testing device 

1. 单电池 : 它是整个测试系统的心脏 , 它将燃料的化学能转换为电能向外输出 

送给负载。本装置采用外购的单电池铜制夹具和石墨双极板 , 极板有效反应 

面积约 2.2cm*2.3cm, 流场类型为双蛇形流道。PEMFC 中的核心部分膜电极 

(MEA) 是自制的 , 下文会详细阐述 MEA 的制备过程。电池的加热是利用 

加热棒直接加热夹具 , 其温度由温度控制系统控制。 

2. 氢气与氧气 ( 空气 ) 供给系统 : 本系统的功能是向电池提供燃料和氧化剂 , 

36


考虑到循环回收系统有一定的复杂性 , 因此本装置未对反应气进行回收利 

用 , 氢气和氧气都是通过高压钢瓶直接向电池供应 , 排出的尾气被直接释放 

到大气当中。 

3. 电池加湿系统 : 电池的加湿是采用普通的外加湿方法 , 通过特制的装有一定 

量超纯水的不锈钢容器 , 并经过加热带加热至一定温度 , 反应气先通过钢制 

容器中的超纯水后再进入电池进行反应。一般情况下 , 使加湿的温度与电池 

的工作温度保持一致。 

4. 温度控制系统 : 该系统主要是控制电池工作温度和加湿水的温度 , 本文采用 

智能温度控制器和热电偶实现自动控制。只要设定好目标温度 , 温控仪就会 

通过加热棒和加热带自动将电池温度和加湿水温度加热到设定值 , 随后保持 

恒温状态。 

5. 管道系统 : 整个装置中管道的布置和安装是最复杂的 , 为了满足该系统耐用、 

密封、防腐蚀等特殊要求 , 本文的管路及其他配件如螺帽等全都采用不锈钢 , 

主要分氢气、氧气 ( 空气 )、氮气三路气体 , 氮气是用来吹扫管路和电池用 

的 , 每一路气体都经稳压阀、稳流阀、截止阀、单向阀、压力表等设备再进 

入电池进行反应。为了达到精确控制气体流量的目的 , 该装置采用德国 

Burkert 公司生产的质量流量计 , 利用 RS485 接口与电脑连接后通过特定软 

件直接发送指令调节流量。整个管路系统 ( 包括各种阀、表 ) 被合理布置于 

一块不锈钢板上 , 同时 , 为了节约空间 , 加湿系统和温度控制系统也与其整 

合在一起。 

6. 电子负载 : 本文专门购置了由艾德克斯电子有限公司生产的直流可编程电子 

负载 , 通过 RS232 通讯接口也与电脑进行连用 , 其自带的 PV8500 监控软件 

给使用带来了极大的便利 , 通过该软件用户可以在电脑上实现参数设定 , 结 

果分析及输出等各项功能。 

7. 电脑 : 质量流量计和电子负载通过同一台电脑进行控制 , 该系统对电脑配置 

的要求并不是很高。 

综上所述 , 本文成功搭建了燃料电池单电池测试系统 , 图 3-2 是该套装置的 

实物图 , 装置搭建过程中所用到的配件及仪器信息如表 3-1 所示。 

37


图 3-2 单电池测试装置实物图 

Fig. 3-2 Real chart of single cell testing device 

表 3-1 主要配件和仪器信息 

名称规格产家 

电子负载 IT8514F 艾德克斯电子有限公司 

1L/min, 最大进口压力 5bar, 

氢气质量流量计 

氧气质量流量计 

最大出口压力 3-4bar, 电源 

24VDC 

2L/min, 最大进口压力 5bar, 

最大出口压力 3-4bar, 电源 

24VDC 

德国 Burkert 公司 

德国 Burkert 公司 

温度控制器 3 接口智能温度控制器 —— 

石墨双极板 10cm*10cm*2cm 上海弘枫石墨制品有限公司 

管道直径 3mm, 壁厚 1mm —— 

压力表最大量程 0.6MPa 江苏仪征电子管厂 

稳流阀 LF-01 型大连旅顺仪表厂 

38


稳压阀 YF-01 型大连旅顺仪表厂 

截止阀 ZF- 针型大连旅顺仪表厂 

单向阀 H92X-4P DW3 江苏阜宁成郊电动仪表阀门厂 

电脑普通配置组装 

3.2 MEA 制备过程 

3.2.1 质子交换膜的预处理 

本实验中质子交换膜是用杜邦公司生产的 Nafion 117 膜 , 一般情况下 , 在组 

装 MEA 之前 , 要对 Nafion 膜进行预处理 , 处理步骤如下 : 

1. 用干净的专用刀具裁下一定大小的 Nafion 117 膜 , 大小视实际应用中 MEA 

的面积而定 , 本实验为 4cm*4cm。 

2. 准备一个烧杯和玻璃盖子 , 烧杯中是 50%( 体积比 ) 的 HNO 3 水溶液 , 再将 

裁好的 Nafion 膜放入其中 , 盖上玻璃盖后浸泡 1 小时。 

3. 取出经硝酸浸泡后的 Nafion 膜放在去离子水中浸泡 0.5 小时。 

4. 再放入 0.5M 的 98%H 2 SO 4 溶液中浸泡 0.5 小时 ,H 2 SO 4 溶液密度为 1.839 g/mL, 

摩尔质量 98.08 g/mol。 

5. 取出经硫酸浸泡后的 Nafion 膜放在去离子水中浸泡 0.5 小时。 

6. 重复步骤 5, 将 Nafion 膜放在新换的去离子水中再浸泡 0.5 小时。 

7. 取出 Nafion 膜再放在装有干净去离子水的烧杯中保存 , 烧杯口用薄膜封好。 

3.2.2 MEA 制备过程 

质子交换膜燃料电池的 MEA 三合组件有三部分组成 , 即阳极、质子交换膜 

和阴极。质子交换膜处理完毕之后就要制备阳极和阴极 , 阴阳两极都采用高活性 

的 Pt/C 催化剂 , 除了催化层以外 , 两极上还要有扩散层以及载体 , 本实验两极 

都由碳布作为载体 , 而且碳布中本身带有扩散层 , 因此只需将催化层再涂上去即 

可。MEA 制备过程当中所用到的试剂和仪器如表 3-2 所示。下面是催化层的原 

料制备、涂覆以及后处理过程 : 

1. 首先 , 剪裁一定面积的碳布 , 碳布面积可以视使用量来决定 , 在 80℃ 下真空 

39


干燥 3 小时。 

2. 催化层配浆 : 催化剂采用 Pt 含量为 20% 的 Pt/C 催化剂 , 并掺入 5% 的 Nafion 溶 

液 (Nafion:Pt/C=1:3),Nafion 溶液的加入不仅起到粘接剂的作用 , 减小 

质子传导阻力 , 同时还可以减小气体扩散阻力 , 使电极性能得到提高 [42] 。再 

加入一定量的去离子水和异丙醇 ( 配比约 Pt/C: 水 : 异丙醇 =1:5:20), 为 

了减少涂覆过程中的损失 , 将配好的溶液稀释 5-10 倍。 

3. 将上述配好的催化剂溶液超声混合 30 分钟。 

4. 在加热板上将超声后的溶液均匀涂覆于带有扩散层的碳布上。 

5. 将涂有催化层的碳布在 130℃ 下真空干燥 3 小时。 

6. 称重 , 计算得到单位面积 Pt 含量在 0.5mg/cm 2 左右。 

7. 将两片电极和处理好的 Nafion 膜经过压机热压 , 即制备成膜电极 , 膜电极的 

有效面积为 5 cm 2 左右。另外 , 由于热压过程中压力和温度的控制都要恰到 

好处 , 否则会影响 MEA 的性能甚至使其损坏 , 因此 , 本文在实际实验中也尝 

试了不经过热压而将电极和质子交换膜直接置于双极板相应位置上 , 再通过 

极板外侧的夹具进行固定的方法 , 取得了不错的效果。 

表 3-2 MEA 制备过程中的主要试剂和仪器 

名称规格产家 

碳布带扩散层碳布北京金能燃料电池有限公司 

Nafion 膜 117 杜邦 

HNO 3 50vol% HNO 3 :H2O 国药集团化学试剂有限公司 

H 2 SO 4 98wt% 上海凌峰化学试剂有限公司 

Pt/C 催化剂 Pt 含量 wt20% Johnson Mercy 

Nafion 溶液 Wt50% 杜邦 

异丙醇 AR 99.7% 国药集团化学试剂有限公司 

超声机 SY5200-D 上海声源超声波仪器设备有限公司 

真空干燥箱 DZF-6020 上海精宏实验设备有限公司 

电子天平 FA2104A 上海精天电子仪器有限公司 

压机 YGL62-10 江苏南通国龙锻压设备有限公司 

40


3.3 实验结果 

根据以上建立的单电池测试系统和自制 MEA, 本文对质子交换膜燃料电池 

进行了一系列测试 , 测试条件如表 3-3 所示 , 主要是考察其在不同工作温度下的 

性能。图 3-3~ 图 3-9 给出了实验结果。 

表 3-3 实验测试条件 

H 2 流量 

O 2 流量 

阳极压 

阴极压 

H 2 加湿 

O 2 加湿 

电池温 

(ml/min) 

(ml/min) 

力 (MPa) 

力 (MPa) 

(℃) 

(℃) 

度 (℃) 

图 3-3 100 150 0.1 0.1 20 20 20 

图 3-4 100 150 0.1 0.1 30 30 30 

图 3-5 100 150 0.1 0.1 40 40 40 

图 3-6 100 150 0.1 0.1 50 50 50 

图 3-7 100 150 0.1 0.1 60 60 60 

图 3-8 100 150 0.1 0.1 70 70 70 

图 3-9 100 150 0.1 0.1 80 80 80 

1.0 

Pa=Pc=0.1MPa, T=20 o C 

80 

Voltage (V) 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

60 

40 

20 

Power density (mW/cm 2 ) 

0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 

Current density (mA/cm 2 ) 

图 3-3 电池温度在 20℃ 时的性能曲线 

Fig. 3-3 Performance curve when the cell temperature is 20℃ 

41


1.0 


100 

0.8 

80 

Voltage (V) 

0.6 

0.4 

0.2 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 




1.0 


100 

Voltage (V) 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 




42


1.0 


120 

0.8 

100 

Voltage (V) 

0.6 

0.4 

0.2 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 




1.0 


120 

Voltage (V) 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

100 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 




43


1.0 


250 

Voltage (V) 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

200 

150 

100 

50 


0.0 

0 

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 




1.0 Pa=Pc=0.1MPa, T=80 o C 

250 

Voltage (V) 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

200 

150 

100 

50 


0.0 

0 

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 




本文所有实验的加湿都采用饱和加湿的方法 , 又以上结果可知 , 随着电池温 

度的升高 , 质子交换膜燃料电池的性能也随之提高 , 这是由于温度升高促进了气 

体传质过程 , 提高了反应速度 , 降低质子在电解质膜中的传导阻力。但根据文献 

综述 , 一般 PEMFC 的工作温度不超过 80℃, 因为温度过高会导致质子交换膜严 

重脱水甚至损坏。 

另外 , 电池温度在 70℃ 和 80℃ 时的两次实验 , 即图 3-8 和图 3-9 与前面的 

实验略有不同 , 考虑到随着温度的逐步提高 , 电池性能会越来越好 , 燃料的消耗 

也越来越多 , 因此电池内部的生成水速度很快 , 为了防止实验时间过长而导致水 

44


淹 , 这两次实验的取点较之前少 , 这样能够在保证不影响整体趋势的前提下更加 

快速的完成测试。从实验的结果来看 , 在本测试系统条件下 , 高温区做这样的修 

正对 PEMFC 的性能还是有很大帮助的。 


本章首先系统介绍了质子交换膜燃料电池单电池测试系统的搭建过程 , 然后 

又详细阐述了 MEA 的制备方法 , 接着描述了实验设计和测试过程 , 并给出了实 

验结果 , 在此基础上对实验结果进行了分析。 

45


第四章模型求解和验证 

4.1 模型总结 

本文第二章详细介绍了质子交换膜燃料电池汽车动力系统的模型构建过程 , 

整个数学模型的描述方程总结见表 4-1, 电池堆及模型中用到的基本参数和操作 

条件见表 4-2。 

表 4-1 PEMFC 汽车动力系统模型方程总结 

模型主控方程 

κ −1 

κ pd 

κ 

压缩机绝热功率 P 

ad 

= psqv 

(( ) −1) 

(2-1) 

κ −1 

p 

s 

压缩机实际功率 

P 

= / η 

(2-2) 

comp 

P ad 

ad 

电流 I = uFq 

in / N 

(2-3) 

log( 

p 

H 2 O 

2 

H2 

) = 2.95 × 10 

−5 

2 

水的饱和蒸气压 − 9.18 × 10 ⋅ ( T − 273.15) 

(2-4) 

+ 1.44 × 10 

−2 

−7 

⋅ ( T − 273.15) 

⋅ ( T − 273.15) 

3 

− 2.18 

氢气分压 

氧气分压 : 

⎡ 

⎤ 

⎢ 

⎥ 

⎢ 1 

p ⎥ 

H 

= 0.5⋅ 

pH 

O 

⋅ 

−1 

(2-5) 

2 

2 

⎢ ⎛1.653⋅ 

( I / A) 

⎞ pH 

O ⎥ 

2 

⎢exp⎜ 

⎟ ⋅ 

1.334 

⎥ 

⎣ ⎝ T ⎠ p a ⎦ 

⎡ 

⎤ 

⎢ 

⎥ 

⎢ 

1 

p ⎥ 

O 

= p ⋅ 

−1 

(2-6) 

2 H2O 

⎢ ⎛ 4.192 ⋅ ( I / A) 

⎞ pH 

O 

⎥ 

2 

⎢exp⎜ 

⎟ ⋅ 

1.334 

⎥ 

⎣ ⎝ T ⎠ p c ⎦ 

反应气为空气时 : 

⎛ 0.291⋅( 

I / A) 

⎞ 

pO 

= p − pH 

O 

− p 

N 

⋅exp⎜ 

⎟ (2-7) 

2 c 2 

2 

0. 832 

⎝ T ⎠ 

ΔG 

ΔS 

RT 

0.5 

热力学平衡可逆电势 E Nernst 

= + ( T −T0 ) + [ln( p 

H 

⋅ pO 

)] (2-8) 

2 2 

2F 

2F 

2F 

−3 

−5 

0.5 

展开式 : = 1.229 − 0.85 × 10 ( T − 298.15) + 4.3085× 

10 T[ln( 

p ⋅ p )] (2-9) 

E Nernst 

H 

2 

O 

2 

46


阴极活化极化 U 

act, 

ca 

= 

α 

RT 

Fn 

ca 

⎡ ⎛ 0 

⎢ ⎜nFAκ 

⎢ln⎜ 

⎢ ⎜ 

⎣ ⎝× 

O2 

ca 

⎛ ΔG 

exp⎜− 

⎝ RT 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

( ) ( 1−α 

) ( ) ( − ) ca 1 αca 

C C + ( C ) 

H 

e 

α 

H O 

2 

ca 

⎞ 

⎟ 

⎟ − ln 

⎟ 

⎠ 

⎤ 

⎥ 

⎥ 

⎥ 

⎦ 

( I ) 

(2-12) 

ΔG 

RT 

RT 

= κ 

an H 

(2-13) 

2 

2F 

2F 

2F 

ec 

0 

阳极活化极化 U − + ln( 4FA 

C ) ln I 

act, an 

− 

总活化极化电压 

U 

act 

= U 

act , ca 

+ U 

act , an 

= −[ ξ1 

+ ξ 

2 

⋅T 

+ ξ3 

⋅T 

⋅ ln( CO 

) + ξ 

4 

⋅T 

⋅ ln( I )] 

2 

(2-14) 

活化方程参数 1 


ξ 

2 

= 

ΔGe 

ΔGec 

ξ 

1 

= − − 

(2-15a) 

α Fn 2F 

R 

α nF 

ca 

R 

+ 

2F 

ln 

ca 

0 

( ) ( 1−α 

[ ) ca 

αca 

nFAκ 

C + ( C ) ] 

0 

[ ln( 4FAκ 

C )] 

ca 

ca 

H2 

H 

H2O 

(2-15b) 

R 

活化方程参数 3 ξ 

3 

= (1 − α 

ca 

) 

(2-15c) 

α 

ac nF 


⎛ R R 

⎟ ⎞ 

ξ = − 

⎜ 

4 

+ 

(2-15d) 

⎝α 

cnF 

2F 

⎠ 

溶解氧浓度 

C 

O2 

= pO2 

6 

5.08× 

10 ⋅ exp( −498/ 

T ) 

(2-16) 

电池内阻 R int ernal − 5 T 10 − 

= 0.01605 − 3.5× 

10 ⋅ + 8× 

5 I 

(2-18) 

ernal 

欧姆极化电压 U = R 

int ⋅ I 

(2-19) 

ohmic 

J 

浓差极化电压 = −B 

ln[1 − ] 

(2-20) 

U con 

J max 

PEMFC 实际输出电压 

U 

= E −U 

−U 

−U 

(2-21) 

Nernst 

act 

ohmic 

con 

电池堆电压 

U stack 

= N ⋅U 

(2-22) 

电池堆功率 

P 

stack 

= U ⋅ I 

(2-23) 

stack 

单电池效率 

ΔG0 

2FU 

η = = 

(2-24) 

ΔH 

ΔH 

47


氢气消耗速率 

反应热和焦耳热 

Δ 

Q stack 

I 

M = H 2 

2F 

(2-25) 

= M 

H2 

⋅ 

= N ⋅ I ⋅ 

ΔH 

⋅ ( 1−η) 

( 1.481−U 

) 

(2-26) 

4 4 

电堆辐射热 ΔQ 

= δ ⋅σ 

⋅ a ⋅ ( T − T ) 

(2-27) 

rad 

b 

循环水带走的热 Δ Q = q C T − ) 

(2-28) 

W 

W 

p, w 

( T0 

0 

电池堆热平衡 

Δ Q + Q 

Q 

(2-29) 

stack 

gas _ in 

= ΔQrad 

+ ΔQw 

+ 

gas _ out 

( .481 −U 

) = q C ( T − ) 

N ⋅ I ⋅ 

(2-30) 

1 

W p, w 

T0 

[43] 

表 4-2 PEMFC 汽车动力系统模型参数和操作条件 

模型参数与操作条件值单位 

单电池个数 ( N ) 

332 

电池堆长 * 宽 * 高 0.8*0.15*0.2 m*m*m 

电池堆温度 ( T ) 293.15~353.15 K 

燃料利用率 ( u ) 

0.7 

法拉第常数 ( F ) 

96484600 C*(kmol) -1 

理想气体常数 ( R ) 8314.47 J*(kmol*K) -1 

压缩机吸气压力 ( ps 

) 1.013*10 5 Pa 

空气等熵指数 (κ ) 1.4 

压缩机绝热效率 ( η 

ad 

) 0.75 

电堆黑度 (δ ) 0.8 

波尔兹曼常数 ( σ ) 5.67*10 -8 w*(m 2 *K 4 ) -1 

b 

环境温度 ( T0 

) 

298.15 K 

4.2 模型求解 

根据以上系统模型中的数学方程组 , 本文结合第三章的实验数据运用 Matlab 

软件进行了模型求解和参数寻优 , 求得模型中的主要参数 , 而本文中主要的未知 

模型参数都集中在电池堆模块上 , 因此 , 整体的模型求解思路是采用计算模型输 

48


出电压和实验测量值之间的误差平方和作为目标函数 , 当该目标函数值最小的时 

候 , 模型计算值和实验测量值最为接近 , 即 : 

I 

⎛ 

2 ⎞ 

Min ⎜ fun = ∑( U 

mod el 

−U 

exp eriment 

) ⎟ (4-1) 

ξ 1, ξ2 

, ξ3 

, ξ4 

, B⎝ 

i= 

1 

⎠ 

U mod el 

式中 , fun 为目标函数 , 为模型计算值 , 为实验测量值 ,J 为 

eriment 

U exp 

实验数据点的个数。为了求得合理的参数最优值 , 本文采用 Matlab 软件中的 

Fminsearch 命令进行参数寻优 ,Fminsearch 是专门用来求解多元函数极值的 , 它 

采用 Nelder-Meade 单纯形搜索法 , 其常见格式为 [X,FVAL]= fminsearch(fun,X0), 

即求解目标函数 fun 的最小值和相应的 X 值 ,X 0 为 X 的初始值 ,FVAL 为返回的函 

数值。求得的模型优化参数取值见表 4-3, 详细的求解程序见本文附录三。 

表 4-3 模型优化参数取值列表 

模型参数 

ξ 

1 

ξ ξ 

2 

3 ξ 

4 

B 

上限 -0.9 2*10-3 7.3*10-5 -1.9*10-4 0.015 

下限 -0.98 3.2*10-3 7.5*10-5 -4*10-4 0.13 

4.3 模型验证 

为了验证本文所建立的模型是否正确 , 是否能作为燃料电池汽车动力系统稳 

态分析的工具 , 在进行后续模拟工作之前 , 需要对所建模型用实验数据加以验证。 

由于缺乏整个燃料电池汽车动力系统的实验装置 , 而电池堆模块是该系统的核心 

部分 , 因此本文利用单电池测试系统对该模块进行了实验验证。 

1.0 

0.8 

Experiment 

Model 

T=20 o C 

90 

Voltage (V) 

0.6 

0.4 

0.2 

60 

30 

0 


0.0 

0 50 100 150 200 250 300 350 


图 4-1 电池温度在 20℃ 时模型计算结果与实验数据的对比 

Fig. 4-1 Comparison between modeling results and experimental data at 20℃ 

49


Voltage (V) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

Experiment 

Model 

T=30 o C 

100 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 




Voltage (V) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

Experiment 

Model 

T=40 o C 

120 

100 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 




50

Voltage (V) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 


Experiment 

Model 

T=50 o C 

120 

100 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 




Voltage (V) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

Experiment 

Model 

T=60 o C 

120 

100 

80 

60 

40 

20 


0.0 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 




Voltage (V) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

Experiment 

Model 

T=70 o C 

250 

200 

150 

100 

50 


0.0 

0 

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 




51


Voltage (V) 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

Experiment 

Model 

T=80 o C 

250 

200 

150 

100 

50 


0.0 

0 

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 




由图 4-1 至图 4-7 的单电池性能曲线比较结果可以看出 , 模型计算结果和实 

验数据在各个温度下都吻合的较好 , 说明该电池堆模型能够反映 PEMFC 的稳态 

特性 , 进而也在很大程度上说明了整个系统模型的合理性和可信度。 


本章首先对第二章所建的质子交换膜燃料电池汽车动力系统模型进行了总 

结 , 并给出了模拟条件。随后通过 Matlab 中的 Fminsearch 函数进行模型求解和 

参数寻优 , 得到模型优化参数。最后通过实验数据和模型计算结果的对比 , 发现 

两者吻合较好 , 证明了模型的准确性。 

52


第五章结果分析与讨论 

经过第四章对本文所建模型的实验验证 , 证明其能够较为准确地反映质子交 

换膜燃料电池汽车动力系统的稳态特性。由此 , 本文利用该模型进一步研究了各 

个操作条件如电池堆温度、氢气流量、氧气流量、进气压力、环境温度等对系统 

性能和循环冷却水用量的影响。 

5.1 电池堆温度变化对系统性能的影响 

5.1.1 电池堆温度变化对电压的影响 

1.24 

1.22 

q H2 

=0.1mol/s,q Air 

=0.42mol/s 

Pa=Pc=0.1MPa 

1.20 

U Nernst 

(V) 

1.18 

1.16 

1.14 

280 290 300 310 320 330 340 350 360 

T (K) 

图 5-1 电池工作温度对 Nernst 电压的影响 

Fig. 5-1 Affect of cell temperature on Nernst voltage 

0.30 

0.28 

0.26 

q H2 


=0.42mol/s 

Pa=Pc=0.1MPa 

U ohmic 

(V) 

0.24 

0.22 

0.20 

0.18 

0.16 

280 290 300 310 320 330 340 350 360 

T (K) 

图 5-2 电池工作温度对欧姆极化电压的影响 

Fig. 5-2 Affect of cell temperature on ohmic overvoltage 

53


0.55 

0.54 

q H2 


=0.42mol/s 

Pa=Pc=0.1MPa 

0.53 

U act 

(V) 

0.52 

0.51 

0.50 

0.49 

0.48 

0.47 

280 290 300 310 320 330 340 350 360 

T (K) 

图 5-3 电池工作温度对活化极化电压的影响 

Fig. 5-3 Affect of cell temperature on activation overvoltage 

0.48 

0.46 

q H2 


=0.42mol/s 

Pa=Pc=0.1MPa 

0.44 

U (V) 

0.42 

0.40 

0.38 

0.36 

280 290 300 310 320 330 340 350 360 

T (K) 

图 5-4 电池工作温度对电池实际输出电压的影响 

Fig. 5-4 Affect of cell temperature on actual output voltage 

正如第一章中所阐述的那样 , 对于 PEMFC 来说 , 一方面 , 随着电池堆温度 

的升高 , 电池的热力学可逆电动势会有所下降 , 如图 5-1 所示 ; 另一方面 , 温 

度升高可以降低质子在电解质膜中的传递阻力 , 欧姆过电位逐步减小 , 如图 5- 

2 所示 , 不仅如此 , 温度的升高还能提高反应速度 , 降低活化极化电压 , 如图 5 

-3 所示 , 而对扩散过电压的影响相对较小 , 因此本文中没有在浓差极化电压模 

型中引入温度作为参数之一。另外 , 由于极化过电压的下降比热力学可逆电压的 

54


下降幅度要大 , 因此电池的实际输出电压反而随着温度的上升而有所提高 , 总体 

来说 , 较高的电池工作温度对提高其性能是有利的。然而 , 温度过高 , 例如超过 

水沸点 , 会导致膜严重脱水而发生 “ 干死 ” 现象 , 甚至使膜损坏 , 从而会导致电 

池欧姆电阻急剧升高 , 效率下降。因此本文选用 80 o C 作为电池堆的最佳工作温 

度。 

5.1.2 电池堆温度变化对功率的影响 

6400 

6200 

q H2 


=0.42mol/s 

Pa=Pc=0.1MPa 

6000 

P stack 

(W) 

5800 

5600 

5400 

5200 

5000 

4800 

280 290 300 310 320 330 340 350 360 

T (K) 

图 5-5 电池工作温度对电堆功率的影响 

Fig. 5-5 Affect of cell temperature on stack power 

6300 

6000 

q H2 


=0.42mol/s 

Pa=Pc=0.1MPa 

5700 

P system 

(W) 

5400 

5100 

4800 

4500 

280 290 300 310 320 

T (K) 

330 340 350 360 

图 5-6 电池工作温度对系统功率的影响 

Fig. 5-6 Affect of cell temperature on system power 

整个动力系统中压缩机的消耗功率是所有功率损耗中最大的 , 因此本文中的 

55


系统功率 P 就定义为电池堆功率 P 和压缩机功率 P 之差 , 前文已经指出 

system 

stack 

随着电池工作温度的升高 , 电池堆的输出电压有所上升 , 因此电池堆功率和系统 

功率也随之上升 , 如图 5-5 和 5-6 所示。 

comp 

5.2 氢气流量变化对系统性能的影响 

5.2.1 氢气流量变化对电堆电流的影响 

50 

40 

qAir=0.42mol/s,Tcell=353.15K 

Pa=Pc=0.1 MPa 

Current (A) 

30 

20 

10 

0 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-7 氢气流量对电池堆电流的影响 

Fig. 5-7 Affect of Hydrogen flow on stack current 

由于实际系统运行时为了提高氢气的利用率 , 会使空气 ( 氧气 ) 过量来保证 

氢气尽可能完全反应 , 因此 , 本文的模拟工作是在保证空气过量的前提下进行的 , 

利用氢气流量来计算电池堆的电流 , 如公式 (2-3)。由图 5-7 可以看出 , 在这 

样的情况下 , 很显然电池堆的电流会随着氢气流量的增加而增大。 

56


5.2.2 氢气流量变化对电压的影响 

0.5 

0.4 

U act 

(V) 

0.3 

0.2 


Pa=Pc=0.1 MPa 

0.1 

0.0 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-8 氢气流量对活化极化电压的影响 

Fig. 5-8 Affect of Hydrogen flow on activation overvoltage 

0.25 

0.20 


Pa=Pc=0.1 MPa 

U ohmic 

(V) 

0.15 

0.10 

0.05 

0.00 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-9 氢气流量对欧姆极化电压的影响 

Fig. 5-9 Affect of Hydrogen flow on ohmic overvoltage 

57


0.05 

0.04 


Pa=Pc=0.1 MPa 

U con 

(V) 

0.03 

0.02 

0.01 

0.00 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-10 氢气流量对浓差极化电压的影响 

Fig. 5-10 Affect of Hydrogen flow on concentration overvoltage 

1.1 

1.0 

0.9 


Pa=Pc=0.1 MPa 

0.8 

U (V) 

0.7 

0.6 

0.5 

0.4 

0.3 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-11 氢气流量对电池实际输出电压的影响 

Fig. 5-11 Affect of Hydrogen flow on actual output voltage 

由图 5-8 到图 5-10 可以看出 , 氢气流量的增加会提高电池的活化极化、欧 

姆极化和浓差极化电压 , 因为这三个电压损失受电流的影响较大。虽然氢气流量 

的增加会使阳极流道内的氢气分压有所提高 , 从而在一定程度上提高了热力学可 

逆电压 , 然后提高幅度非常有限。因此总体来说 , 电池的实际输出电压会有所下 

降 , 如图 5-11 所示。 

58


5.2.3 氢气流量变化对功率的影响 

6000 

5000 

P system 

(W) 

4000 

3000 

2000 

q Air 

=0.42mol/s,T cell 

=353.15K 

Pa=Pc=0.1 MPa 

1000 

0 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-12 氢气流量对系统功率的影响 

Fig. 5-12 Affect of Hydrogen flow on system power 

由于氢气流量的增加伴随着电池堆电流的提高 , 而其实际输出电压却有所下 

降 , 因此根据式 (2-23), 电池堆的功率存在极值 , 由于压缩机的消耗功率受氢 

气流量影响很小 , 所以系统功率也相应的存在最优值 , 如图 5-12 所示 , 并且从 

图中可以看出 , 在该工况下 , 氢气流量为 0.1mol/s 左右时系统功率最大。 

5.3 空气流量变化对系统性能的影响 

5.3.1 空气流量变化对功率的影响 

1800 

1500 

q H2 


=353.15K 

Pa=Pc=0.1MPa 

1200 

P comp 

(W) 

900 

600 

300 

0 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

59 

q Air 

(mol/s) 

图 5-13 空气流量对压缩机功率的影响 

Fig. 5-13 Affect of air flow on compressor power


6500 

6000 

q H2 


=353.15K 

Pa=Pc=0.1MPa 

P system 

(W) 

5500 

5000 

4500 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

q Air 

(mol/s) 

图 5-14 空气流量对系统功率的影响 

Fig. 5-14 Affect of air flow on system power 

从式 (2-1) 不难看出 , 压缩机的消耗功率必然随着空气流量的增加而增大 , 

如图 5-13 所示。另外 , 空气流量的增加由于增大了阴极内氧气分压 , 因此一定 

程度上提高了热力学可逆电压 , 但是提高幅度相对很小。在各个活化电压也基本 

变化不大的情况下 , 电池堆功率也基本维持稳定 , 因此系统功率会随着空气流量 

的增加而减小 , 如图 5-14 所示。所以在该工况下 , 本文认为空气流量在 0.42mol/s 

左右比较合适。 

60


5.4 阳极入口压力变化对系统性能的影响 

5.4.1 阳极入口压力变化对氢气分压的影响 

1.3 

1.2 

1.1 

1.0 

p H2 

*10 -1 (MPa) 

0.9 

0.8 

0.7 

0.6 

0.5 

0.4 

p c 

=0.1MPa,T cell 

=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

0.3 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p a 

*10 -1 (MPa) 

图 5-15 阳极入口压力对氢气分压的影响 

Fig. 5-15 Affect of anode input pressure on Hydrogen partial pressure 

5.4.2 阳极氢气入口压力变化对电压的影响 

1.180 

1.175 

U Nernst 

(V) 

1.170 

1.165 

p c 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

1.160 

1.155 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p a 

*10 -1 (MPa) 

图 5-16 阳极入口压力对 Nernst 电压的影响 

Fig. 5-16 Affect of anode input pressure on Nernst voltage 

61


0.500 

0.495 

U (V) 

0.490 

0.485 

p c 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

0.480 

0.475 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p a 

*10 -1 (MPa) 

图 5-17 阳极入口压力对电池实际输出电压的影响 

Fig. 5-17 Affect of anode input pressure on actual output voltage 

从图 5-16 可以看出热力学可逆电压随着阳极入口压力的升高而增大 , 而活 

化过电压相对受影响较小 , 因此电池输出电压会有所上升 , 如图 5-17 所示。 

5.4.3 阳极氢气入口压力变化对功率的影响 

6550 

6500 

p c 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

6450 

P system 

(W) 

6400 

6350 

6300 

6250 

6200 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p a 

*10 -1 (MPa) 

图 5-18 阳极入口压力对系统功率的影响 

Fig. 5-18 Affect of anode input pressure on system power 

随着电池输出电压的提高 , 在电堆电流和压缩机消耗功率就都没有太大改变 

的情况下系统功率上升比较明显 , 如图 5-18 所示。同样道理 , 可以得到阴极入 

口压力变化对系统性能的影响如图 5-19 至图 5-22 所示。 

62


5.5 阴极入口压力变化对系统性能的影响 

5.5.1 阴极入口压力变化对氧气分压的影响 

2.6 

2.4 

2.2 

2.0 

p H2 

*10 -1 (MPa) 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

p a 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

0.6 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p c 

*10 -1 (MPa) 

图 5-19 阴极入口压力对氧气分压的影响 

Fig. 5-19 Affect of cathode input pressure on Oxygen partial pressure 

5.5.2 阴极入口压力变化对电压的影响 

1.170 

1.165 

U Nernst 

(V) 

1.160 

p a 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

1.155 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p c 

*10 -1 (MPa) 

图 5-20 阴极入口压力对 Nernst 电压的影响 

Fig. 5-20 Affect of cathode input pressure on Nernst voltage 

63


0.53 

0.52 

U (V) 

0.51 

0.50 

p a 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

0.49 

0.48 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p c 

*10 -1 (MPa) 

图 5-21 阴极入口压力对电池实际输出电压的影响 

Fig. 5-21 Affect of cathode input pressure on actual output voltage 

5.5.3 阴极入口压力变化对功率的影响 

6900 

6800 

6700 

P system 

(W) 

6600 

6500 

p a 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

6400 

6300 

6200 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

p c 

*10 -1 (MPa) 

图 5-22 阴极入口压力对系统功率的影响 

Fig. 5-22 Affect of cathode input pressure on system power 

64


5.6 循环冷却水系统模拟结果 

5.6.1 电池工作温度对循环冷却水用量的影响 

70 

60 

p a 

=p c 

=0.1MPa,T o 

=298.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

50 

q water 

(mol/s) 

40 

30 

20 

10 

0 

300 310 320 330 340 350 360 

T (K) 

图 5-23 电池工作温度对冷却水用量的影响 

Fig. 5-23 Affect of cell temperature on recycle cooling water flow 

很显然 , 在环境温度维持常温的情况下 , 电池堆的工作温度越高 , 循环冷却 

水的用量越少 , 因此较高的工作温度能降低冷却系统的负荷 , 如图 5-23 所示。 

5.6.2 环境温度对循环冷却水用量的影响 

18 

16 

14 

p a 

=p c 


=353.15K 

q H2 


=0.42mol/s 

q water 

(mol/s) 

12 

10 

8 

6 

270 280 290 300 310 320 330 

T 0 

(K) 

图 5-24 环境温度对冷却水用量的影响 

Fig. 5-24 Affect of ambient temperature on recycle cooling water flow 

65


如果要电池堆工作温度维持在 80℃, 那么环境温度的升高水使冷却水用量 

大增 , 这也是显而易见的 , 如图 5-24 所示。 

5.6.3 氢气流量对循环冷却水用量的影响 

10 

8 

p a 

=p c 


=353.15K 

T o 

=298.15K,q Air 

=0.42mol/s 

q water 

(mol/s) 

6 

4 

2 

0 

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 

q H2 

(mol/s) 

图 5-25 氢气流量对冷却水用量的影响 

Fig. 5-25 Affect of Hydrogen flow on recycle cooling water flow 

另外 , 由于氢气流量与电池堆的电流有密切的关系 , 氢气流量增加 , 则电堆 

工作电流上升 , 而电流的上升势必会增大其反应热和焦耳热 , 见公式 (2-26), 

因此随着氢气流量的提高循环冷却水用量也相应提高 , 如图 5-25 所示。 


本章通过模型计算给出了六大部分模拟结果 , 并对其进行了充分的理论分 

析。计算结果包括电池堆温度、氢气流量、空气流量、阴阳两极入口压力对系统 

性能的影响 , 以及电池堆温度、环境温度和氢气流量对循环冷却水用量的影响。 

66


第六章结论及展望 

6.1 结论 

本文建立了质子交换膜燃料电池汽车动力系统的完整模型 , 包括燃料供应模 

块、电池堆模块和循环冷却水模块。并运用 Matlab/Simulink 软件进行了模型求 

解和参数寻优。为了判断模型计算结果是否准确 , 本文还自主搭建了一套 PEMFC 

单电池测试系统 , 利用获得的实验数据来验证模型。然后在此基础上充分研究了 

各个操作条件对系统性能和循环冷却水系统的影响 , 所得到的创新点和主要结论 

如下 : 

1. 首先 , 本文的模拟对象是整个燃料电池汽车动力系统 , 该模拟工作是建立在 

系统层面上的模拟 , 相比于国内外目前大多数只针对某一个部分 , 特别是电 

池堆部分进行的模拟工作 , 这是本文的创新点之一。 

2. 本文的实验数据是来源于自主搭建的 PEMFC 单电池测试系统 , 相比于从文 

献中截取实验数据进行模型验证的方式可信度更高。 

3. 通过对电池堆模型计算结果和实验数据的比较 , 发现两者在各个电池堆工作 

温度下都吻合较好 , 说明该电池堆模型能够较为准确的反映 PEMFC 的稳态 

特性 , 由于电池堆模块是整个系统模型的核心部分 , 因此该验证结果也在很 

大程度上说明了整个系统模型的合理性和可信度。 

4. 电池堆温度对系统性能有很大的影响。首先是对电压的影响 , 随着电池堆温 

度的升高 , 电池的热力学可逆电动势会有所下降 , 同时 , 可以降低质子在电 

解质膜中的传递阻力 , 欧姆过电位逐步减小 , 不仅如此 , 温度的升高还能提 

高反应速度 , 降低活化极化电压 , 而对扩散过电压的影响相对较小 , 因此本 

文中没有在浓差极化电压模型中引入温度作为参数之一。另外 , 由于极化过 

电压的下降比热力学可逆电压的下降幅度要大 , 因此电池的实际输出电压反 

而随着温度的上升而有所提高 , 总体来说 , 较高的电池工作温度对提高其性 

能是有利的。然而 , 温度过高 , 例如超过水沸点 , 会导致膜严重脱水而发生 

“ 干死 ” 现象 , 甚至使膜损坏 , 从而会导致电池欧姆电阻急剧升高 , 效率下 

降。因此本文选用 80 o C 作为电池堆的最佳工作温度。其次是对功率的影响 , 

67


本文中的系统功率 P 就定义为电池堆功率 P 和压缩机功率 P 之差 , 

system 

随着电池工作温度的升高 , 电池堆的输出电压有所上升 , 因此电池堆功率和 

系统功率也随之上升。 

5. 氢气流量对系统性能有很大影响。首先是对电池堆电流的影响 , 电池堆的电 

流会随着氢气流量的增加而增大。其次是对电压的影响 , 氢气流量的增加会 

提高电池的活化极化、欧姆极化和浓差极化电压 , 因为这三个电压损失受电 

流的影响较大。虽然氢气流量的增加会使阳极流道内的氢气分压有所提高 , 

从而在一定程度上提高了热力学可逆电压 , 然后提高幅度非常有限。因此总 

体来说 , 电池的实际输出电压会有所下降。最后是对功率的影响 , 由于氢气 

流量的增加伴随着电池堆电流的提高 , 而其实际输出电压却有所下降 , 因此 

电池堆的功率存在极值 , 由于压缩机的消耗功率受氢气流量影响很小 , 所以 

系统功率也相应的存在最优值。 

6. 空气流量主要对系统功率影响很大 , 压缩机的消耗功率必然随着空气流量的 

增加而增大。另外 , 空气流量的增加由于增大了阴极内氧气分压 , 因此一定 

程度上提高了热力学可逆电压 , 但是提高幅度相对很小。在各个活化电压也 

基本变化不大的情况下 , 电池堆功率也基本维持稳定 , 因此系统功率会随着 

空气流量的增加而减小。 

7. 阴阳两极气体入口压力对系统性能也有影响 , 热力学可逆电压随着两极入口 

压力的升高而增大 , 而活化过电压相对受影响较小 , 因此电池输出电压会有 

所上升。随着电池输出电压的提高 , 在电堆电流和压缩机消耗功率就都没有 

太大改变的情况下系统功率上升较为明显。 

8. 电池工作温度、环境温度和氢气流量都会影响循环冷却水的用量。在环境温 

度维持常温的情况下 , 电池堆的工作温度越高 , 循环冷却水的用量越少 , 因 

此较高的工作温度能降低冷却系统的负荷。如果要电池堆工作温度维持在 80 

℃, 那么环境温度的升高水使冷却水用量大增。另外 , 由于氢气流量与电池 

堆的电流有密切的关系 , 氢气流量增加 , 则电堆工作电流上升 , 而电流的上 

升势必会增大其反应热和焦耳热 , 因此随着氢气流量的提高循环冷却水用量 

也相应提高。 

总体来说 , 本文所建的燃料电池汽车动力系统模型较为准确的反映了其稳态 

stack 

comp 

68


特性 , 可以为整车设计提供理论指导 , 缩短研究周期 , 节约设计成本。 

6.2 展望 

在整个建模过程中 , 本文的不足和改进方向为 : 一 , 由于实验条件的限制 , 

未能对整个系统模型进行实验验证 , 而只验证了电池堆模块 , 实际运行中对压缩 

机等辅助设施的验证也非常必要 , 以提高模型精度。二 , 该模型未能考虑能量的 

回收利用 , 实际车辆运行中一般会有燃料以及能量的回收系统。另外 , 整个动力 

系统中有时还包括冷却风扇等模块 , 而循环冷却水泵也会消耗一部分功率 , 综合 

考虑这些因素会使模型更加完整。三 , 电池堆内部的水热管理对电池堆的性能是 

非常重要的 , 本文模型中对这方面的考虑不够全面 , 今后工作中可以引入加湿器 

等模块来加以完善。四 , 本文建立的是燃料电池汽车动力系统的稳态模型 , 可以 

用来研究其稳态特性 , 然而车辆实际运行时其工作条件和负荷等会面临频繁的变 

动 , 因此今后工作中在稳态模型的基础上进一步建立动态模型是一个研究方向。 

69


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73


附录一 “ 电池工作温度升高 , 导致 PEMFC 电动势下降 ” 

结论的推导 

由 Nernst 公式 

RT a产物 

E = E 

0 − ln 

[A1-1] 

nF a 

反应物 

可知 , 对于交换电流小 (10 -9 ~10 -10 A/cm 2 ) 而成为电池电动势决定因素的阴极氧 

RT pH 

2O 

还原反应 ,Nernst 方程右边第二项可以写作 - ln , 温度升高 , pH 

O 

值增 

nF p 

2 

RT pH 

2O 

大 , 而氧气分压相应减少 , 故而 - ln 的值减小。 

nF p 

另外 , 标准电极电位可表示为 

由 Gibbs-Helmholtz 方程 

E 

O2 

O2 

0 

G 

= − 

[A1-2] 

nF 

0 Δ 

⎛ ∂ΔG 

⎞ 

⎜ ⎟ 

⎝ ∂T 

⎠ 

p 

= −ΔS 

[A1-3] 

其中 

ΔG = −nFE 

[A1-4] 

得到 

⎛ ∂E ⎞ 

⎜ ⎟⎠ 

⎝ ∂T 

p 

⎛ ∂E 

⎞ 

ΔS = nF⎜ 

⎟ [A1-5] 

⎝ ∂T 

⎠ 

称为电极电位温度系数。PEMFC 阴极反应的标准电极电位的温度系数为 

负数 , 故温度升高 ,E 0 值减小。 

综上两个方面 , 温度升高 , 将导致 PEMFC 的电池电动势下降。 

p 

74


附录二 “ 温度升高导致 PEMFC 理想热效率下降 ” 

结论的推导 

电池理想热效率可表示为 

W电 

− ΔG 

ΔG 

ξ 

T 

= = = 

[A2-1] 

-Q 

− ΔH 

ΔH 

p 

又 

所以 

方程 [A1-5] 带入方程 [A2-3] 得到 : 

因为电池反应放热 , 所以 ΔH 

⎛ ∂E ⎞ 

零 ; 对于电池阴极氧还原反应 , ⎜ ⎟⎠ 

⎝ ∂T 

升高而降低。 

Δ G = ΔH 

−TΔS 

[A2-2] 

ΔG 

ΔS 

ξ 

T 

= = 1− 

T 

[A2-3] 

ΔH 

ΔH 

nFT ⎛ ∂E 

⎞ 

ξ 

T 

= 1− ⎜ ⎟ 

[A2-4] 

ΔH 

⎝ ∂T 

⎠ 

> 0 。对于电池阳极氢气氧化反应 , 其 

p 

p 

⎛ ∂E ⎞ 

⎜ ⎟⎠ 

⎝ ∂T 

p 

值为 

值为负 , 所以整个电池热效率 ξ 

T 

随温度 T 

75


附录三模型求解和参数优化程序 

模型定义与主函数 

function err_calculate = calculate(ModelPara) 

global a1 a2 a3 a4; 

a1=ModelPara(1); 




err=0;err_calculate=0; 

T=353.15;Pa=1;Pc=1;A=4.6; 

load 80 

for k=1:1:9 

i=is(k,1); 

v=vs(k,1); 

I(k,1)=is(k,1); 

PH2O=10.^[0.0295*(T-273.15)-0.0000918*(T-273.15).^2+0.000000144*(T-273.15). 

^3-2.18]; 

PO2=PH2O*[1/((exp(4.192*(i/A)/T.^1.334))*(PH2O/Pc))-1]; 

PH2=0.5*PH2O*[1/((exp(1.653*(i/A)/T.^1.334))*(PH2O/Pa))-1]; 

En=1.229-0.00085*(T-298.15)+0.000043085*T*(log(PH2)+0.5*log(PO2)); 

CO2=PO2/[0.00000508*exp(-498/T)]; 

Vact=-[a1+a2*T+a3*T*log(CO2)+a4*T*log(i)]; 

Vcon=-B*log(1-(i/imax)); 

Vohmic=i*[0.01605-0.000035*T+0.00008*i]; 

V(k,1)=En-Vact-Vohmic-Vcon; 

err=(V(k,1) - v).^2; 

err_calculate=err+err_calculate; 

end 

plot(I,vs,'k*',I,V,'b-') 

Fminsearch 参数寻优 

mainfun 

[paraModel,FVAL]= fminsearch(@calculate,[-0.9 0.003 0.000077 -0.00019]) 

save result1 paraModel FVAL 

76


致 

谢 

在本文顺利完成之际 , 回顾两年多来的硕士学习和科研工作 , 我要向所有关 

心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友和亲人们表示衷心的感谢和真诚的祝福 ! 

首先我要感谢我的导师马紫峰教授 , 是他为我提供了良好的实验条件和科研 

氛围 , 马老师开阔的心胸 , 宽广的视野 , 活跃的学术思想和直爽乐观的人生态度 

都是值得我一生去学习的。在本文立题之时 , 我曾经有所犹豫 , 正是因为马老师 

对我的信任与鼓励 , 才使我有了挑战自我的信心和勇气。无数次的模型调整、计 

算机编程和文献翻阅 , 再加上马老师思路上的点拨与实验上的支持 , 本文才得以 

最终完成。 

其次 , 我要特别感谢蒋淇忠老师 , 因为同在一个办公室 , 经常向他请教科研 

当中遇到的问题 , 他给予了我大量的、极其有益的建议和指导。还要感谢师弟吴 

曦 , 他在实验装置的搭建过程中花了大量的时间 , 对我后续的模型验证工作帮助 

很大。同时 , 课题组的其他老师和师兄弟、师姐妹们也在这两年多来一起学习和 

生活的美好时光里给了我很多无私的帮助与支持 , 在此一并表示感谢。在论文撰 

写过程中 , 女友莹在生活上的照顾和精神上的鼓励 , 对本文的完成至关重要 , 在 

此表示由衷的感激和深深的爱意。 

最后 , 我要特别感谢我的父母以及妹妹 , 在我取得学习和工作上的些许成绩 

时 , 总能看到你们会心的微笑 , 在我遇到困难和挫折的时候 , 总能得到你们无私 

的鼓励与信任。爸、妈 , 你们辛苦了 ! 我会用我的一生去回报你们 ! 

陈黎明 

2009 年元旦 

于交大 . 上海 

77


攻读学位期间发表的学术论文及专利 

期刊论文 : 

[1] CHEN LiMing, LIN ZhaoJia, MA ZiFeng. Process Modeling of Fuel Cell Vehicle 

Power System. Chinese Science Bulletin. Accepted (SCI) 

[2] 陈黎明 , 林昭佳 , 马紫峰 . 燃料电池汽车动力系统过程模拟 . 科学通报 . 已接 

受 (SCI 收录 ) 

[3] 陈黎明 , 吴曦 , 马紫峰 . 质子交换膜燃料电池过程模拟研究进展 . 化工学报 , 

已接受 (EI 收录 ) 

会议论文 : 

[4] 陈黎明 , 廖小珍 , 裴力 , 马紫峰 . 反应粉碎制备磷酸铁锂正极材料研究 . 第四 

届全国化学工程和生物化工年会 . 杭州 , 2007,11, F008 

专利 : 

[5] 吴省 , 蒋淇忠 , 马紫峰 , 陈黎明 , 吴曦 . 微波制备低 Pt 含量电催化剂的方法 . 

中国专利 , 申请号 : 2007100476944 

78

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