自增湿空冷型PEMFC特性的实验分析

发布时间：2017-08-21 04:28

  本文关键词：自增湿空冷型PEMFC特性的实验分析

  更多相关文章： 质子交换膜燃料电池 自增湿 排气周期 水累积 风扇系统 短路 单体电池电压分布 表面温度分布

【摘要】：能源危机和环境问题越来越受到人类社会的广泛关注。清洁能源的大力开发利用成为一种必然选择。燃料电池不涉及到燃烧,可以直接通过电化学反应将化学能转化为电能。这种电池的最大特点是其不受卡诺循环的限制,因此能量效率高。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,以下简称PEMFC)具有体积小、质量轻、功率密度高、启动快、无噪音、零污染等优点,在分散电站、便携式移动电源、应急不间断电源以及电动汽车等领域具有广泛应用前景。PEMFC是一个非线性、多耦合的复杂系统,其工作原理涉及到流体力学、传热传质、热力学、电化学和控制学等众多学科。风扇吹走一部分燃料电池阴极生成水,剩余部分水用来给自增湿质子交换膜燃料电池增湿,依据电池内的水平衡控制,自增湿空冷型PEMFC输出比功率比外增湿PEMFC高,是因为其精简了电池系统结构,去除了外增湿设备。质子交换膜燃料电池中水管理与热管理是紧密关联互相耦合的,有效的水热管理对于提高电池的性能和寿命起着关键作用。论文首先在基于实验室的自增湿空冷型PEMFC实验平台上完成了阳极排气周期实验,得到不同负载情况下最佳排气方案,并应用FluckTi25红外热像仪进行温度扫描,进而实现了“水淹”故障诊断和水累积效应的分析。其次,PEMFC单片电池的开路电压比较低,只有0.9V～1.0V。因此通常PEMFC电池堆需要将若干片单电池串联起来以满足负载所需电压。阴极风扇系统对空冷型PEMFC电池性能有很大的影响。通过设置不同的风扇电压、风道距离对百瓦级空冷型PEMFC电池组开展了相关实验,并采集单体电池的电压,通过分析输出性能来进行风扇系统优化。最后,针对实验室的H-1000 PEMFC进行短路实验。设置不同短路周期、短路时间,应用无纸记录仪采集各单电池电压、电堆电流、电堆温度、气体压强等参数来分析电堆输出性能,进而得到最佳短路方案,并分析短路对燃料电池造成的影响以及其影响机理。本文结尾对上述几个实验所取得的研究成果进行了总结,还提出了本课题研究的不足之处,并对本文研究的前景进行了分析和展望。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 自增湿 排气周期 水累积 风扇系统 短路 单体电池电压分布 表面温度分布
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘 要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 燃料电池的发展历史及国内外研究现状11-16
• 1.2.1 燃料电池的发展历史11-13
• 1.2.2 国内外研究现状13-16
• 1.3 本论文主要工作16-17
• 第2章 PEMFC工作原理概述17-22
• 2.1 PEMFC原理概述17-18
• 2.1.1 PEMFC工作原理17-18
• 2.2 PEMFC系统18-19
• 2.2.1 电极18
• 2.2.2 PEMFC加湿单元18-19
• 2.3 PEMFC电极过程动力学19-22
• 2.3.1 开路电压19
• 2.3.2 活化极化过电压19-20
• 2.3.3 欧姆极化过电压20
• 2.3.4 浓差极化过电压20-22
• 第3章 空冷型PEMFC阳极排气周期实验研究22-31
• 3.1 单电池水传递模型22-23
• 3.2 实验测试23-25
• 3.2.1 测试平台搭建23-25
• 3.2.2 实验方案设计25
• 3.2.3 表面温度测量25
• 3.3 实验结果与讨论25-30
• 3.3.1 排气周期对单电池电压的影响25-28
• 3.3.2 电堆表面温度分布28-29
• 3.3.3 单电池“水淹”故障诊断29-30
• 3.4 结论30-31
• 第4章 空冷型PEMFC电堆阴极风扇系统优化31-38
• 4.1 管道中充分发展的湍流流动及能量损失分析31-32
• 4.2 风扇系统实验测试32-33
• 4.2.1 燃料电池系统32-33
• 4.2.2 实验方案33
• 4.3 实验结果与分析33-37
• 4.3.1 风扇工作距离和电压对输出电流的影响33-35
• 4.3.2 风扇工作距离和电压对电堆散热的影响35-37
• 4.4 结论37-38
• 第5章 空冷型PEMFC电堆短路实验38-51
• 5.1 短路实验系统平台38-40
• 5.1.1 实验仪器设备39
• 5.1.2 系统工作原理39-40
• 5.2 实验方案40
• 5.3 实验结果与分析40-50
• 5.3.1 短路时间对单体电池输出电压的影响40-43
• 5.3.2 短路周期对燃料单体电池输出电压的影响43-45
• 5.3.3 不同短路周期、短路时间对应的电堆功率平均值45-47
• 5.3.4 短路产生的水量和热量47-48
• 5.3.5 短路对燃料电池性能提升原因的假设48-49
• 5.3.6 短路造成的负面影响49-50
• 5.4 结论50-51
• 结论与展望51-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-57
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文57

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 彭跃进;彭峗;李伦;刘志祥;陈维荣;;质子交换膜燃料电池电源系统停机特性及控制策略[J];化工学报;2015年03期

2 常丰瑞;黄俭标;马建新;杨代军;李冰;严泽宇;顾荣鑫;;PEMFC用Pt纳米线阴极催化剂的制备及在电堆中的应用[J];化工学报;2014年10期

3 沈俊;周兵;邱子朝;涂正凯;刘志春;刘伟;;质子交换膜燃料电池强化传质[J];化工学报;2014年S1期

4 李英;周勤文;张香平;;质子交换膜燃料电池稳态自增湿性能分析[J];化工学报;2014年05期

5 谢玉洪;黄彦全;赵思臣;;质子交换膜燃料电池的温度控制实验[J];电池;2014年01期

6 郭爱;李奇;陈维荣;刘志祥;;车用燃料电池阴极系统特性[J];西南交通大学学报;2013年06期

7 沈烨烨;陈雪兰;谢磊;李修亮;吴禹;赵路军;;基于LPV模型的燃料电池空气进气系统控制[J];化工学报;2013年12期

8 杨晴霞;仲志丹;张洛平;;空气供给系统对kW级质子交换膜燃料电池系统的影响[J];河南科技大学学报(自然科学版);2013年02期

9 汪飞杰;杨代军;张浩;马建新;;1.5kW质子交换膜燃料电池堆动态工况响应特性[J];化工学报;2013年04期

10 朱星光;贾秋红;陈唐龙;韩明;邓斌;;质子交换膜燃料电池阴极风扇系统实验研究[J];中国电机工程学报;2013年11期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 吕维忠;新型空冷自增湿质子交换膜燃料电池技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

2 王晓丽;质子交换膜燃料电池膜电极结构研究[D];中国科学院研究生院（大连化学物理研究所）;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 吕宁;燃料电池混合动力汽车能量控制策略的研究[D];大连海事大学;2010年

2 杨顺风;PEMFC混合动力系统开发及燃料气体压强非线性控制研究[D];西南交通大学;2010年

3 华周发;质子交换膜燃料电池反极现象研究[D];武汉理工大学;2006年

，

本文编号：710833