龙佳庆, 覃炎忻

(柳州职业技术学院，广西 柳州 545001)

近年来，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有冷启动快、工作温度低、零排放、高效率(40%～60%)、高功率密度等特点，特别适合应用于新能源汽车中而被广泛关注。在氢燃料电池新能源汽车的设计研发周期中，建立能够准确预测电池性能的燃料电池仿真模型尤为重要，可节省大量人力物力，缩短研发周期提升研发效率，对加快燃料电池商业化的进程具有重要意义[1]。

在过去的二十年里，许多燃料电池模型被提出，它们可分为一维，二维和三维模型更高维度的模型更加真实和准确地描述燃料电池内部复杂传质、传热、传电的过程[2],但同时也涉及到求解更多复杂的表示空间物理量分布的偏微分方程、更多的计算资源和更长的求解时间，电池堆栈系统集成建模仿真效率低下，而一维集总参数模型就具有明显的响应迅速和成本效益优势[2]。本文尝试基于电化学-流体-热耦合构建具有较好预测性能的燃料电池集总参数的Matlab/Simulink模型，方便用于PEM燃料电池堆栈系统集成仿真。

1 模型描述

为简化模型，做出如下假设：a)反应气体均为饱和蒸汽；b)质子交换膜被完全地润湿；c)反应气体分压受进气流速和反应消耗影响；d)整个系统等温即温度在整个系统均匀分布；e)压力在整个电堆均匀分布，分压的变化影响电堆性能。

1.1 电化学模型

PEMFC最大的输出可逆电压由电化学反应式的吉布斯自由能函数决定，由能斯特方程，在标准状态下，单电池内的氢氧总体反应产生热力学势为[2]：