研究背景
燃料电池技术被视为继火力发电、水力发电、以及核能发电之后的第四代发电技术，具有清洁无污染、效率好、噪音小等优点。质子交换膜燃料电池 PEMFC 以氢气为阳极燃料，氧气为阴极氧化剂，通过氢气和氧气发生电化学反应产生电能，是一种高效、清洁的电能转化装置。基于 PEMFC 的氢动力系统是一种集成化电能供给装置，主要由氢源系统和 PEMFC 组成，氢源系统为 PEMFC 提供燃料用于产生电能。PEMFC 动力系统不仅在航空、潜艇等专业军工领域有了应用，而且在电站、新能源汽车以及便携式电源等民用场合也已成功应用。传统的氢源系统主要是应用高压储氢技术或低温液态储氢技术进行氢气存储，然而，目前传统的氢能储存技术仍然存在系统体积庞大、能量损失大、成本高、安全性低等制约因素。化学吸/脱附储氢是一种高效的新型间接储氢方式，具有高储氢量、安全以及可逆性能好的特点。因此，本文以化学吸/脱附固态储氢反应器为氢源系统，研究了化学吸/脱附固态储氢反应器与 PEMFC 燃料电池之间的耦合特性。
创新点及解决的问题
本文建立基于化学吸/脱附固态储氢的氢源反应器和 PEMFC 的数学模型，并使用MATLAB/SIMULINK 软件建立了耦合固态储氢的 PEMFC 动力系统的仿真模型，详细分析了反应器供氢压力、阴极氧气压力、燃料电池温度、质子交换膜面积等关键操作和设计参数对氢动力系统输出特性的影响。同时提出功率敏感因数的概念，定量比较了各种参数对氢动力系统输出功率的影响，为基于固态储氢的 PEMFC 氢动力系统的高效使用提供优化思路。
重点内容导读
1. 温度对燃料电池特性影响
燃料电池的温度是影响氢动力系统的一个重要因素。在储氢反应器温度保持一定时单个燃料电池输出电压随着燃料电池工作温度升高而逐渐增加。这是因为燃料电池温度升高，燃料电池反应动力学加快，有利于加快燃料电池进行电化学反应，所以燃料电池温度升高是有利于电压的输出的。当温度 T PEM =353 K 时，功率最高点对应的电流密度为 1.0 A·cm -2 ，此时的效率为 45%左右，高于一般内燃机的效率。但燃料电池温度不能过高，燃料电池温度过高容易蒸发燃料电池中的水分，造成质子交换膜脱水甚至干涸，导致膜电导率下降，同时其电阻增大，从而导致燃料电池性能急剧下降。
2. 供氢压力与供氧压力对料电池特性影响
燃料电池的阳极所需的氢气压强是由储氢反应器供给，所以储氢反应器参数的变化同样会对整个氢燃料电池动力系统产生较大的影响。影响储氢反应器放氢压力的参数主要是反应器床层温度，当反应器温度不同时，反应器的放氢压力会不同，燃料电池的输出特性也会随之变化。燃料电池内部发生的总反应是氢气与氧气反应生成水的过程，所以阴极供氧压力同样会影响燃料电池的输出特性。当阴极供氧压力不足时，电化学反应不完全，不能达到能量的最大转化效率；当阴极供氧压力过大时，压缩机功耗大幅增加，会增加系统成本，且易损坏燃料电池内部构造，所以选择合适的氧气压力对于燃料电池的输出特性也比较重要。随着阴极氧气压力的逐渐增大，燃料电池输出功率也逐渐增大，而且变化的程度在燃料电池的功率“峰值”处最大。同氢气压力对燃料电池输出功率的影响一样，氧气压力的增加对于输出功率增加效果较小。
3. 不同质子交换膜面积对燃料电池输出特性影响
质子交换膜是燃料电池的重要组成部分，其主要作用是阻隔燃料与氧化剂直接接触反应以及传导质子。质子交换膜面积是影响燃料电池输出特性的重要参数。随着质子交换膜面积增大，输出功率也逐渐增大。这是因为质子交换膜面积越大，所负载的催化剂也越多，意味着燃料电池的活化面积越大，造成燃料电池输出性能越好。当质子交换膜面积逐渐增大时，燃料电池堆输出功率峰值向电流密度减小方向移动，而气体压力和燃料电池堆温度的提高，燃料电池输出功率最大值向电流密度增大方向移动。
4. 敏感性分析
为了对比分析温度、氢压、氧压和膜面积四种参数对电堆输出功率的影响，本文定义了功率敏感系数 ΔW/ΔX，在功率最大值处计算功率敏感因数，可以对各个不同参数对燃料电池输出特性进行量ڿƭ,��ڿ化比较。通过比较发现，燃料电池温度对输出功率影响最大，功率敏感因数为 1.81；其次为质子交换膜的影响，功率敏感因数为 0.73；最后供氢压力和氧气压力的变化对燃料电池输出功率的影响基本相同，功率敏感因数在 0.036 左右。但是四种参数的改变难易程度和操作范围不一，需根据实际运行情况进行具体不同参数的调节优化。
结论
（1）当储氢反应器的温度从 305 K 升高到 337 K 时，释放给 PEMFC 的氢气压力从3.039×105 Pa 提高到了 9.117×105 Pa，使得 PEMFC 的输出功率增加了 327 W；
（2）燃料电池的内部工作温度对其输出电压，输出功率，输出效率有很大影响。当储氢反应器供氢压力一定，质子交换膜面积一定的情况下，燃料电池的输出功率、输出电压、输出效率随着温度的升高而逐渐升高，在 353 K 时达到最高。结合 PEMFC 的实际工作条件，将燃料电池工作温度设置在 343 K 时较佳；
（3）温度、供氢压力、供氧压力、膜面积对 PEMFC 输出功率敏感因数分别为 1.81、0.037、0.036、0.73，基于此，可以根据 PEMFC 实际运行情况对参数进行优化，获得更好的 PEMFC动力系统运行效果。