5)增湿系统：质子交换膜传递质子的性能与膜的含水量有直接的关系，当膜的含水量很高时才可以快速有效地传递质子；当膜的含水量较低时，传导质子的效率将显著下降。因此，为了保证膜的充分湿润，需要对进入电堆的反应气体进行增湿操作。由于电堆中氢离子与水结合形成的水合质子是从阳极通过质子交换膜流向阴极，而且氢离子与氧气、电子在阴极结合生成水，所以阴极是否需要对气体进行增湿完全取决于质子交换膜的透水特性，如果膜的透水性能良好，则只需在阳极对气体加湿即可使电堆正常工作。由于水中Fe2+ 、Cu2+等离子不仅会使电堆短路，而且会腐蚀质子交换膜，所以需要去除冷却系统和增湿系统所用水中的离子[15]。在某些PEMFC系统中，把增湿系统和冷却系统所用的水放在同一个水箱里，减少了系统部件，不仅降低了整个系统的成本和重量，而且降低了控制系统的复杂程度。

6)功率输出和控制系统：PEMFC发动机系统除上述各个组成部分以外，还包括功率输出系统和控制系统。由于汽车行驶过程中存在频繁改变发动机负载的现象，负载的频繁变动会使燃料电池难以适应，甚至无法正常工作，对其寿命造成很大影响。因此，车载PEMFC通常与DC/DC变换器、动力蓄电池等元件构成混合驱动系统[16]。功率输出系统可以根据燃料电池当前的输出功率与汽车所需求的功率进行解耦，依据结果优化对燃料电池的控制。控制系统的作用是实现当PEMFC发动机系统处在启动、运行和停机不同负载状态时对电池中反应气体流量、温度、湿度和压力的控制，使整个系统工作在稳定状态并同时对系统进行监控和故障诊断，以及发生故障时可以进行容错控制[17]。

图2。4  典型质子交换膜燃料电池发动机系统示意图

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基于AMESim的PEMFC建模及其动态仿真

AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems)是由法国IMAGINE公司从1995年开始推出的一款多学科领域的复杂系统建模和仿真软件。AMESim软件为用户提供了丰富的元件物理模型应用库，建模时无需考虑繁琐的数学模型，使得用户可以专注于物理系统模型本身的设计。目前，AMESim平台涉及车辆、船舶、工程机械以及航空航天等多学科领域，广泛应用于机械、流体、电气、电磁、控制以及热分析等复杂系统的建模和仿真[18]。

3。1PEMFC模型搭建及其特性分析

3。1。1PEMFC数学模型

PEMFC中发生的电化学反应其实是氧化还原反应，其中在阳极发生氧化反应，在阴极发生还原反应。由化学热力学可知该氧化还原反应的可逆电功如下式所示[19]：

式中：为反应的Gibbs自由能变化量；n为反应转移的电子数；E为电池的理想标准可逆电动势；F为法拉第常数（F=96485C/mol）。

如果反应在25℃、0。1MPa的环境下进行，由化学热动力学可知，如果反应生成液态水，则反应的Gibbs自由能变化量为-237。2kJ；反应转移的电子数为2；根据式（3-1）的可计算出燃料电池的理想标准可逆电动势为1。229V。

在理想条件下， 1。229V是质子交换膜燃料电池可以获得的最大电压，对于非理想条件的实验，得出的数据与之相差较大。这是由于PEMFC在运行时，正负电极表面会发生一系列物理化学变化的过程，这些过程都会对电池的正常运行产生一定的阻力，为了克服这一阻力使电极上的反应持续进行下去，就必须要消耗反应自身的一部分能量。在克服阻力消耗能量的同时，电极电势会偏离其平衡值，这一现象就是PEMFC的极化现象，电极电势偏移量的绝对值称为过电势（或过电压）。使PEMFC实际输出电压降低的主要过电势有活化过电势（Activation Overpotential）、欧姆过电势（Ohmic Overpotential）和浓差过电势（Concentration Overpotential）。依据前人建立的PEMFC输出特性经验公式，单个电池的输出电压可由下式表示：