基于MATLAB/Simulink的氢燃料电池系统建模与仿真

张可健, 曲大为, 兰洪星, 于 锋

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022)

质子交换膜燃料电池具有众多突出的优点，如能量转化率高、能量密度高、噪声低以及零排放等，可以广泛应用于列车、飞机、汽车等交通工具及便携式移动电源等场合[1]。质子交换膜燃料电池系统兼具高效率、高能量密度、高度清洁、大滞后性、非线性、时变性等特点，系统工作过程中涉及电化学、热力学、流体力学、传热传质理论等。目前中外学者建立的燃料电池系统模型主要包括机理模型、经验模型和半经验模型，其中以机理模型居多。

最早的燃料电池建模工作始于20世纪90年代，Springer、Bernardi和Verbrugge等先驱者建立了燃料电池一维模型，提出了解释水分通过膜的机制，并提出了膜电导率与膜中含水量之间的关系，同时对燃料电池的性能进行了初步研究[2]。Zhang等[3]基于建立的燃料电池供气的一维仿真模型，对空气压缩机与燃料电池系统的匹配特性进行了分析，得出设计人员应注重扩展喘振边界，在有限的设计转速下将高效工作区域扩大到低质量流量区域，而不是仅仅扩大有效工作范围的结论。吉林大学雷宗坤[4]基于某电堆设计参数建立燃料供给系统以及输出特性的动态模型，针对特定电流需求条件下的电堆工作点分布与流量-压力特性进行仿真，并基于压力补偿对系统进行控制优化。东北大学马冰心[5]基于系统的机理模型，采用MATLAB/Simulink搭建燃料电池系统仿真平台，围绕燃料电池氧化剂供给控制算法展开研究，通过优化控制器参数得到稳定的系统输出净功率。……