质子交换膜燃料电池热管理系统的优化与控制

发布时间：2021-10-11 03:22

　　PEMFC具有高效清洁、负荷变化响应快速、工作温度低、启动速度快等优点,特别适合成为未来汽车的核心动力源。它能使汽车具有环境污染小、能量密度高和能量总体利用效率高这三大优势,相比于现有的内燃机汽车,更加符合节能减排的发展趋势。但是,PEMFC电堆内部的水热特性会直接影响电堆的工作特性,而电堆的工作温度又对水热特性具有重要的影响,所以工作温度对电堆工作的稳定性、安全性和高效性至关重要。为了保证电堆工作的稳定和高效,本文建立了 PEMFC电堆的仿真模型,针对电堆的工作温度展开研究,以为其实际应用提供理论支撑与参考。首先,建立了关于PEMFC电堆的阳极流道、阴极流道、水传输、电池电压和电池散热的动态模型,并在该动态模型的基础上,建立了相应的电堆稳态仿真模型。它们充分考虑了电堆的电化学特性、水传输特性、气体流动特性和散热特性,并且进行了相应的对比验证。在确定模型合理的基础上,针对电堆的工作温度展开了恒温仿真和非恒温仿真。研究结果表明:电堆恒温运行更为有利。因此,若要实现电堆的恒温运行,需解决温度的选取问题及其控制问题。针对电堆温度的选取问题,采用遗传算法展开了优化研究。同时,为了解决优化计算速... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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图１．１不同燃料的理论能量密度（ｋＷｈ／ｋｇ）??３．燃料电池的总效率较高，如图１．２所示［８］

山东大学硕士学位论文??气的污染，有助于缓解全球环境污染问题。??表１－２采用各类能源发电的污染情况比较（ｋｇＨＯ－ＹｋＷｈ）－１）?［５］??污染成分?ＮＯｘ?Ｓ０２?尘末?烃类??燃料电池?６３－１０７?０－０．１２?０－０．０１４?１４－１０２??天然气火力发电?１８００?２．５－２３０?０－９０?２０－１２７０??煤火力发电?３２００?８２００?３６５－６８０?３０－１００００??重油火力发电?３２００?４５５０?４５－３２０?１３５－５０００??２．氢气的理论能量密度高，如图１．１所示。虽然在计算中加入燃料所需的??氧气时，氢气能量密度的优势并不明显，但是汽车在行使时可以在外界空气中获??取氧气，不必在汽车上增加储氧设备。在不计燃料所需的氧气时，氢气的理论能??量密度是汽油的３倍，是锂电池的８０多倍，解决了汽车的续航里程问题。??ｖ?％??图１．１不同燃料的理论能量密度（ｋＷｈ／ｋｇ）??３．燃料电池的总效率较高，如图１．２所示［８］。??—?燃谋?—］??效率９２％??效率４５％?｜－－－发电站一一？锂电池－－刁??」｜￣?效率?３７％??效效率６２％?；?ｍ?．．．?Ｊ??率?７５?Ｗ??????９５?％?——＞?总效率３７％??／〇［—?—１７４％?一￣＾７｜」巧砂’。?——＞?总效率４９．２％??—总效率而。??图１．２三种不同汽车的总体能源利用效率??图１．２中给出了将燃煤、燃油、天然气这些化石能源转化为内燃机、锂电池、??２??

重视和积极研宄。??１．２燃料电池系统简述??１．２．１?ＰＥＭＦＣ?电堆??ＰＥＭＦＣ电堆是整个系统的核心部件，它由一系列的单体电池串联叠加组合??而成，并且电池与电池之间还会视情况安装冷却板，以实现冷却水对电堆的调温。??２ＦＴ＝Ｈ２〇??Ｈ２?—？?〇２?麗：?＾?ｔ??＼?３?Ｗ?’燃料电池??阳极板＾Ｉ?＿?ＭＥＡ?电堆??酣敗层??３?卜誦ａ?２阳极催化层??３?Ｂ?。?３质子交换膜??＾?１?＝?Ｐ?４阴极催化层??３?４?板５阴极扩敗层??图１．３?ＰＥＭＦＣ电堆结构图??单体ＰＥＭＦＣ由阳极流道板、阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、??阴极催化层、阴极气体扩散层和阴极流道板这７部分组成。其中除去阳极流道板??和阴极流道板，其余部件通常被压缩为膜电极组件（ＭＥＡ），如图１．３所示。氢气??在阳极催化剂层处发生电化学反应，失电子变为氢离子。氢离子需要与水分子结??合变为水合质子Ｈ＋（ｘＨ２０）的形式才能穿过质子交换膜，所以要求膜组件必须足??够湿润。氢离子到达阴极催化层后，与氧离子和外电路流入的电子结合，发生反??３??

【参考文献】：
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博士论文
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本文编号：3429690