燃料电池堆模块

电堆是整个PEMFC系统的核心部件，其模型如图3−14所示。由燃料电池工作原理可知，当将空气、氢气以及冷却水连续不断地输入电堆内，只要外部电路形成回路，电堆就可以充当直流“电源”使用。

图3−14 燃料电池堆模块模型

燃料电池堆模块是理论及经验的混合模型，主要用于控制设计时使用。它建立了如下映射关系：

燃料电池堆阴极模块模型如图3−15所示。

图3−15 电池堆阴极模块模型

（1）由于阳极气体来源于高压储氢罐，其压力或流量较阴极端更容易得到控制。因此，在一部分电堆模型中，将阳极气体模型忽略或简化为如图 3−16所示的供氢模型。当外部电路从电堆拉取一定电流时，氢气将被消耗。

图3−16 供氢模型

耗氢摩尔流量为，根据法拉第定律可得

根据氢氧电化学反应关系，耗氧摩尔流量

（2）堆电化学反应的空燃比λO2，亦称过氧比，其定义为空气端供应的氧气流量与堆化学反应消耗的氧气流量之比：

随着电堆工作状态的改变，空燃比的选取也应当相应变化。通常，随着电堆工作电流的增加，空燃比应相应减小直至平稳，图3−17所示为空燃比随电堆工作电流的变化曲线。

图3−17 空燃比随电堆工作电流的变化曲线

（3）阴极输出空气摩尔流量按其主要成分氧、氮和水分别计算，其中氧气流量因电化学反应而消耗减少，氮气流量保持不变，输出的空气中不仅包括输入空气中的气态及液态水，而且增加了反应中生成的水分。各成分的计算应根据以下三式进行：

输出空气的湿饱和压根据查表可得，即

（4）阴极输入空气压力 Cinp 。因实际的环境空气压力pamb是一个缓慢变化的物理量，计算空气流量过程某一节点的压力通常由出口处的已知环境压力逆向分段反推进行。计算阴极输入空气压力是假定阴极输出空气压力已知，并根据实测的堆阴极空气通道压降经验公式：

因此

式中，为平均空气摩尔流量；为平均阴极空气温度；为堆阴极空气通道压降经验系数。根据式（3.45）和式（3.46），建立如图3−18所示的阴极输入压力计算模型。

图3−18 阴极输入空气压力计算模型

通常，阴极空气通道压降与阴极入口空气流量之间呈现近似线性的变化关系，如图3−19所示为两者之间的变化关系曲线。

图3−19 阴极空气通道压降随阴极入口空气流量变化曲线

同时，阴极空气通道工作压力与电堆工作电流之间呈现出如图3−20所示的关系，因此，可以根据电堆的工作状态调整阴极入口的空气流量。

图3−20 阴极空气通道工作压力随电堆工作电流的变化曲线

（5）阴极极化曲线。依据实测的经验公式，建立如图3−21所示的极化曲线计算模型，得出阴极氧气压力、工作温度等参数。

图3−21 极化曲线计算模型

氧气压力由阴极输入氧气压力与输出氧气压力取平均值得到：

相应的氧分压按如下公式求取：

工作温度TC由阴极输入工质温度与输出工质温度取平均值得到：

水蒸气输出流量由输入参数与由饱和蒸汽压计算得到的饱和蒸汽流量的较小值得到。其中，

饱和蒸汽压psat由查表计算得到，。

（6）电堆最大输出电流Imax_gross。电堆最大输出电流Imax_gross由输入的空气工质所能提供的最大氧气流量计算得到：