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第27卷第35期中国电机工程学报V ol.27 No.35 Dec. 20072007年12月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 35-0078-06 中图分类号：TM 911 文献标识码：A 学科分类号：470⋅20内重整高温固体氧化物燃料电池建模与仿真王礼进，张会生，翁史烈(动力机械与工程教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市闵行区 200240)Modeling and Simulation of High Temperature Direct InternalReforming Solid Oxide Fuel CellWANG Li-jin, ZHANG Hui-sheng, WENG Shi-lie(Key Laboratory of Power Machinery and Engineering,Ministry of Education (Shanghai Jiaotong University),Minhang District, Shanghai 200240, China)ABSTRACT: Fuel cell is a complicated system including mass, momentum, energy balances and electrochemical reaction. This paper develops a dynamic one dimensional mathematical model of high temperature direct internal reforming solid oxide fuel cell (SOFC). Ordinary differential equations suited for the quick simulation was transferred from the partial differential equations, and modular based SOFC model was established. This model realizes the analysis of mole concentration and energy conservations, and the electrochemical reactions, and satisfies the quick dynamic simulation. The steady-state and dynamic performances of high temperature SOFC were analyzed for some condition. The result proved that the model is suited for SOFC base performances.KEY WORDS: solid oxide fuel cell; internal reforming; modeling; simulation摘要：建立了一维内重整高温固体氧化物燃料电池的数学模型，对复杂的偏微分方程组的求解进行了适用于快速仿真的一般差分方程组求解的转换，并建立了模块化的固体氧化物燃料电池仿真模型。
燃料电池系统建模与控制研究燃料电池作为一种新型能源，受到了越来越多的关注。
与传统的化石能源相比，燃料电池具有体积小、质量轻、安全、环保等优点。
然而，燃料电池系统需要制定合理的控制策略才能保证其稳定运行和高效输出。
因此，燃料电池系统建模和控制是该领域的重要研究问题。
一、燃料电池系统的建模在进行燃料电池系统控制之前，需要对其进行建模。
燃料电池系统建模的目的在于研究其内部机理及运行规律，为后续的控制策略提供基础和支持。
1. 整体系统建模整体系统建模是指对燃料电池系统整个过程进行建模。
主要是将燃料电池、电池板、传感器、控制器等组件相互联系起来，建立数学模型，研究它们之间的关系。
整体系统建模的模型可以包括动态模型、静态模型等，从而可以逐步进行仿真和控制。
2. 组分建模组分建模是指对于燃料电池系统中各个组件进行单独建模，然后再将其相互联系起来。
通过组分建模可以更加深入地研究组件之间的关系，更好地对燃料电池进行控制。
二、燃料电池系统的控制研究燃料电池系统控制是将控制策略应用到燃料电池系统中，通过实时调节参数以达到预定目标的过程。
常见的燃料电池系统控制包括开环控制、闭环控制、模型预测控制等。
1. 开环控制开环控制是指在燃料电池系统中，采用一定的输入信号，不考虑系统输出，直接控制燃料电池系统中能量的产生和消耗。
开环控制能简化系统建模和控制，但其不适用于复杂的燃料电池系统，因为它不能及时适应系统变化和不确定性。
2. 闭环控制闭环控制是指通过将系统反馈信号与期望值进行比较，实时对系统进行调整，保持系统输出值稳定和准确的过程。
闭环控制相较于开环控制更加灵活和准确，但对系统的建模及系统的控制策略要求更加高。
3. 模型预测控制模型预测控制是指通过预测系统未来状态来进行控制。
模型预测控制是一种高级的控制方法，其主要优点在于可以预测未来状态并相应地进行控制，从而保证系统输出的准确性和稳定性。
但是，由于模型预测控制需要消耗大量计算资源，因此在实际应用中需要考虑其计算效率问题。
燃料电池混合动力叉车驱动系统建模与仿真随着物流行业的不断发展,叉车这种物流主要机械车辆的社会生产量、保有量和需求量将会越来越高。
但是石油的保有量在不断的减少,价格也在连年攀升,内燃叉车废气污染也非常的严重。
内燃叉车的发展必然遭受不断的打击,进而影响物流行业的发展。
燃料电池技术,作为一种高效、清洁、优质的动力源,已经引起了世界各国物流行业的广泛重视。
燃料电池混合动力叉车,以燃料电池作为主要动力源,它将氢气与氧气化学反应的化学能直接转变为电能,通过驱动电机驱动叉车工作。
它克服了内燃叉车的排放问题以及以蓄电池作为动力源的电动叉车续使里程短的缺点。
与传统的内燃叉车比较,燃料电池混合动力叉车没有热机过程,也不受卡诺循环的限制,具有较高燃烧效率、无废气排放和无废料丢弃,以及无工作噪声的特点。
同时也能保持传统内燃叉车的工作性能。
与电动叉车相比,没有必要花几个小时为电池充电,只需要花几分钟的时间填补压缩氢气体就可储存很大的能量。
文章对几种燃料电池电动车辆的基本结构进行逐一分析,确定一种燃料电池电动叉车驱动系统基本结构,并选定驱动模式。
详细介绍了燃料电池的内部结构及其子系统工作机理。
在整车能量控制策略上对比了开关控制和功率跟随控制的优缺点,根据实际需要建立了功率跟随控制策略作为本文叉车的控制系统。
并在ADVISOR软件仿真平台上建立叉车驱动系统仿真模型。
对ADVISOR软件中的燃料电池混合动力叉车驱动系统的各主要部件模型的结构和工作原理作了简单介绍。
燃料电池混合动力叉车驱动系统的参数匹配是燃料电池混合动力叉车研究的主要工作。
本文根据该车提出的各项动力性能指标,对叉车驱动系统的各主要部件(燃料电池、蓄电池组、电动机)进行选型。
通过对各个燃料电池驱动系统的比较分析,本文建立以FC+B的燃料电池混合动力驱动系统机械叉车,使用ADVISOR进行动力性、燃料经济性仿真研究,比较仿真结果,确定了一个合理的匹配结果。
燃料电池系统建模及控制方法发布时间：2021-06-08T16:04:37.990Z 来源：《基层建设》2021年第5期作者：谭明波汪涛龙安妮[导读] 摘要：燃料电池系统主要包括个部分：进气子系统、热管理子系统、水管理子系统和能源管理子系统。
武汉中极氢能产业创新中心有限公司检测分公司武汉中极氢能产业创新中心有限公司湖北武汉 430078摘要：燃料电池系统主要包括个部分：进气子系统、热管理子系统、水管理子系统和能源管理子系统。
燃料电池具有高效率、噪音低、零排放等特点，被认为最具发展前景的能源之一。
燃料电池系统的建模与控制研究对于提高燃料电池系统的效率、动态响应能力及使用寿命等有着重要的意义。
为此，本文就针对燃料电池系统建模及控制方法展开探析。
关键词：燃料电池系统；建模；控制方法导言：燃料电池现在最大的缺点是成本高，燃料电池系统的瞬态变化性能是另一个关键因素。
在瞬态，为了产生可靠高效的功率响应，并且防止电解质膜损伤以及对燃料电池堆有害的电压老化和氧气耗尽，必须设计更好的控制方案，以达到最佳的空气和氢气入口流量。
也就是说燃料电池控制系统需根据燃料电池的电流，精确地进行空气和氢气压力调节以及热、水管理。
因此，本文探析燃料电池系统建模及控制方法具有一定的意义。
1 燃料电池的基本原理与特点燃料电池燃料电池就像普通电池一样地工作，把化学能转换成电能，但它又不同于普通电池。
如图1所示，它借助燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）可持续产生直流电（同时也产生水和热量）。
图1 燃料电池的输入和输出1.2 燃料电池的分类燃料电池通常根据所使用的电解质种类来分类。
它们包括：质子交换／聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）；碱性燃料电池（AFC）；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）等。
1.3 燃料电池的组织结构图一个燃料电池发电系统的最基本组成包括燃料电池（最常见的一个电池堆或多层连接的燃料电池）、燃料和氧化剂的供给、电负载和电力调节器。
燃油电池系统仿真研究一、燃料电池简介燃料电池作为一种新型的能源转化器，可以将化学能直接转化为电能。
它是一种能源清洁、效率高、环境友好的新型能源技术。
燃料电池系统主要包括燃料电池、燃料处理系统、电子控制系统、储氢罐等，其中燃烧产物为水和二氧化碳等无公害物质。
二、燃油电池系统燃油电池系统利用液体燃料（如甲醇）和氢气通过电化学反应来产生电能。
燃油电池能够以高效率将燃料化学能转化为电能，且对环境污染小，因此被认为是一种很有前途的能源替代技术。
燃料电池系统的运行原理：通过电化学反应将燃料和氧气产生的电流，直接输出电力。
其中液态燃料进入储氢罐，经过转换后形成氢气，氢气经过氢气泵进入燃料电池，与氧气经反应产生电流和水。
电流通过电池输出给负载，水排放到外界。
三、燃油电池系统中的关键技术1. 燃料与空气的供应：液态燃料应当能够快速、简单地与空气混合以便燃料电池的正常运行。
同时，为了保证燃料电池的长期稳定运行，燃料与空气的供应应当具有良好的匹配能力。
2. 燃料电池输出电路：燃料电池系统的输出特性和蓄电池不同，需要具有不同的输出电路。
燃料电池系统输出电流随负载变化而变化，这就需要切换电子设备能够实现负载的动态调整。
3. 燃料电池的水管理：在燃料电池反应的过程中，水的生成会导致湿度增加，从而可能出现堵塞和间断现象。
因此，对于燃料电池的水管理，需要高效易用的控制系统保障其长期稳定使用。
4. 内部参数的监测：燃料电池系统的各个环节参数的监测对于其可靠性和安全性有着重要的作用。
因此，需要在燃料电池系统中加入各种传感器，以便对系统运行情况进行定时监测和控制。
四、燃油电池系统的仿真研究1. 仿真模型的建立燃料电池系统除了需要物理模型描述外，还需要有准确合理的控制策略。
因此，本文基于MATLAB/Simulink软件，对燃料电池系统进行建模和仿真研究。
2. 仿真研究结果通过仿真，研究了燃料电池系统不同运行状态下的响应特性和优化控制策略。
燃料电池的建模仿真 虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具 燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。
图1 可拆分燃料电池的模型，可以作为手机电池实现多次充电。 如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。
燃料电池具有很多电子产品的优越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能，非常适用于 汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度，使得他比普通电池更适于可携带设备。
在大部分汽车发动机中，汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆，燃料中的 化学能首先转化为电能，然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制，导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论 上转化效率可高达90%左右，要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中，这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料，燃料电池汽车行驶的距离将是普 通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低，燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。 电子工业一直在追求燃料电池的微型化。Motorola公司发现使用一个燃料元件的燃料电池手机的待机时间是普通电池手机待机时间的五倍。除了作为手机 电池，燃料电池还可以应用于笔记本电脑、MP3、MP4以及其他娱乐设备。图1中是微型燃料电池手机充电器，电池是通过安醅中的可燃气体驱动，是由纽约 Manhattan Scientific公司设计。
燃料电池在不具备电力基础设施的区域具有巨大的应用前景，从为美国阿波罗登月计划中为飞船提供电力，到为船舶、便携建筑工具、临时交通控制、维持生命的流动设备、以及军事设备等提供电力能源。
在普通电池中，能量以化学能的形式存储在电池中。而在燃料电池中，化学能存储在燃料槽中，随时可以转化为电能。直接添加氢燃料可以省去了普通电池再次充电 的时间。燃料电池产生电能的过程不足1分钟。因为不存在普通电池的自放电现象，燃料电池可以保持不间断电力供应，这大大降低了燃料电池的保养费用和提高了 系统的稳定性。另外，燃料电池具有更高的能量密度，单位重量可以具有更高的电容量。
在过去的五年中，燃料电池设备和燃料汽车发展迅速。因而，虚拟模型开发工具变得重要起来。公司之间的竞争日趋激烈，为争夺这个巨大潜在市场的战斗已经打 响。这个阶段技术开发成为了最重要的武器，掌握着燃料电池制备技术的小公司逐渐成为大型电子和汽车公司的合作伙伴。
在这个高速发展和竞争激烈的市场中，从概念提出到原型制造的周期已经不允许持续太长的时间。因此虚拟模型的开发工具已经变的异常重要。在考虑辅助设备以及 电动机的运转的前提下，对燃料电池的性能优化面临这许多的数学难题。因此数学建模成为了燃料电池研发过程中重要的工具。将建模仿真和实验相结合，降低能本 同时也加速了模型系统的搭建和研制。
建模仿真为人们研究燃料电池的电化学过程以及电池系统中电极和电解液的作用过程提供了巨大的帮助。所有过程的描述都在微米量级：单催化聚合物，阴阳电极及 电解液组成的电池元胞，汽车燃料电池中燃料加工的反应模型，还包括燃料电池电极板材料的设计，以及它们在燃料电池中对欧姆损耗的影响和系统优化。
图2 在质子交换膜燃料电池的阴极，氢质子穿过交换膜和氧结合形成水，电子从外电路流向阴极形成电流。 燃料电池系统 燃料电池工作机制是分离燃料的氧化原理，例如氢的氧化和氧的还原。在阴阳两极分别发生氧化和还原过程；阳极释放电子通过外部电路流向阴极形成电流。下面的 反应发生在两类燃料电池中，分别是质子交换膜和磷酸燃料电池。固态氧化物、熔融碳酸盐燃料以及碱性燃料电池都有类似的反应。
阳极反应：H2 = 2H+ + 2e- 阴极反应：2H+ + 1/2O2 + 2e- = H2O 外部电路通过导线连接，质子在电解液中传输组成了电池的内部电路（图2）。 从环保的角度来看，由可再生能源如太阳能产生的氢是燃料电池中的最佳燃料。然而，尽管在金属氢化物和纳米光纤等方面已开始了大规模的研究，氢的存储依然 很困难。当今，如甲醇和碳氢化合物等醇类物质是最有效的氢存储方式。从燃料中分离出氢的过程被称作重构反应。在手机这样的微型应用中，甲醇作为燃料在燃料 电池中分离出氢。对于汽车这样的高输出功率应用来说，甲醇就需要通过燃料电池的外部设备如管状反应器来分离出氢。这个分离氢的过程一般通过蒸汽分离和部分 氧化等方法来完成。
图3 在加热套和管状蒸汽重整反应装置中的温度分布仿真结果，不同的颜色代表不同的温度。 重整器的管状反应器设计对于燃料系统的性能和效率至关重要。重整器要能承受高压以及具有很高的瞬间输出功率；重量和体积要尽量小，加热管理系统要能提供匀速低输出以及瞬时高输出等不同的运转条件。
从图3中可以看出，管状反应装置中的温度分布的仿真结果，管状反应器利用蒸汽重整反应将氢从甲醇中分离出来。加热套对重整器进行加热，用来提供核心化学 反应消耗的热量。核心曲面代表等温面。因为在重整器的核心温度差异比较大，所以使用不同颜色温标来表示加热套和核心的温度分布。加热套产生的热量通过高热 导率的材料传输到重整器核心中。假设热量传递是通过传导和对流过程实现，可以通过设置热平衡来计算重整器中的温度分布。
一般都会在电池中加入多余的惰性气体或反应生成物来避免在燃料处理中衍生物的产生，尽可能使电池在匀速和加速情况下的有效运转，例如将电池反应中产生的二 氧化碳、碳化物和水加入到接触炉中。燃烧废气产生的热量随即被所利用作为重整器加热套的热源。在低温下接触炉的使用降低了氮的氧化物(NOX)的产生。 图4 当反应炉中氢和氧在多孔催化剂表面结合不均匀时，反应速率由高（红色）到低（蓝色）分布的仿真结果。
图4是接触炉中反应分布的仿真结果。我们假设炉子的多孔壁被加工的很薄，这就会导致不均匀流通过多孔催化剂和不完全燃烧。红色区域由于有很强的对流具有很 高的燃烧率。这种流的分布最终会导致温度的不均匀分布。仿真结果表明安全性和其它问题都可以通过建模仿真来研究。
电极
图5 仿真结果表明在没有与催化区域接触之前，氧浓度在燃料电池阴极附近达到最大值。 在燃料电池中，氢在阳极被氧化。这个氧化过程发生在催化活性区域并转移电子和离子电流的电荷。这个反应需要氢气穿过阳极多孔介质到达催化表面的活性区域。 在阴极，质子在固体催化剂作用下和氧离子结合生成水。参加反应的氧通过阴极接触层上的聚电解质中的孔到达反应区域。建模模拟可以发现电极设计中的问题。在 阴极，氧扩散到反应区域的同时质子也要通过聚合电解质传输到反应区域。为了减少传输阻力，要尽量缩短氧通过聚合物的路径，同时要求足够的聚合物材料来减少 传输质子的离子流的阻力。
图5展示了催化区域内部和周围氧的浓度分布。从图中可以看出在高压下电极聚电解质中氧浓度呈现梯度分布。图中结构是两个催化剂聚合物和一层电解质薄膜盖 层，聚合物呈瓶口状，与聚电解质接触部分呈半月形。这种结构提高了对氧传输的阻抗能力。虽然模型非常理想化，但是描述的现象却具有很强的现实意义。仿真结 果为昂贵的催化剂的实际用量提供了理论依据。
图6 双极板（绿到黄）和阴极（蓝到红）之间接触区域的电压分布。 一个燃料电池单元大约能产生2KA/m2以及0.8V的电压。所以将一系列的电池串联耦合就可以产生可用电压。在燃料电池阵列中，双极板在相邻的阴极和阳极之间起到了分离器和导电体的作用，同时也利用结构中的通道向电极提供气体。此外，电极的边缘可以充当燃料电池阵列的集管。
高输出功率双极板的设计对于燃料电池阵列的性能具有非常重要的影响。极板在提供电流通道的同时还要能有效的分流气体来较少传输阻抗。图6展示了在电极和双 极板之间接触区域的电压分布。接触阻抗要尽可能的减少，如果双极板是金属材料，就要避免在电极和双极板之间形成低导电率的氧化层。图中在双极板和电极区域 的颜色温标不同，是因为这两种物质之间的电导率具有很大的差异。通过COMSOL Multiphysics还可以利用模型来研究双极板对于燃料电池性能的影响规律。
燃料电池在电子和便携设备中的商业化应用已经指日可待。如今，燃料电池汽车概念车模型已经出现。但是，现在燃料电池材料的成本还是很高，难于大规模生产。 在10月23日开幕的2009年东京车展上，这种氢燃料电池车依然唱起了主角。今年9月，丰田、本田、现代、福特、通用、戴姆勒、起亚等知名汽车公司共同 发表声明，呼吁各国政府在2015年前建立更多的氢燃料基础设施。如果这一目标能够实现，从2015年起，相信全球范围内将会有几十万辆氢动力汽车逐渐实 现商业化生产。在不久的将来，我们周围的公交车和私家车将会变成燃料电池驱动。 COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目 前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用 COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL Multiphysics和开发团队 COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业 科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。 软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL 化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn
