质子交换膜燃料电池关键技术研究

发布时间：2017-10-25 10:07

  本文关键词：质子交换膜燃料电池关键技术研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是一种新型的电化学发电装置,打破了传统的发电模式,以燃料和氧化剂通过电解质进行电化学反应的方式,直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效且环保地转化为电能。质子交换膜燃料电池由于具有运行温度低、功率密度高、响应速度快、稳定性好等优点,在分布式电站、便携式移动电源、新能源车辆等领域具有非常广阔的应用前景。本文主要针对空冷型PEMFC研究了阴、阳极反应气体相对湿度对PEMFC性能影响的差异性、燃料电池与金属储氢器的热耦合管理以及燃料电池停机控制策略等内容。主要研究成果如下：(1)阴、阳极气体相对湿度影响燃料电池内部水的传输和质子交换膜的质子传导率,合适的阴、阳极气体湿度有利于改善和提高燃料电池的性能。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了阴、阳极气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性,为寻找最佳的阴、阳极反应气体湿度奠定了基础。(2)基于空冷型PEMFC测试系统开展了燃料电池与金属储氢器的热耦合管理研究,通过将金属储氢器分别前置和后置这两种与燃料电池不同的热耦合方式,验证了一种新型的燃料电池与金属储氢器的热耦合管理系统结构,该耦合系统结构考虑了外部环境温度对燃料电池系统的影响,可以根据环境温度的高低选择合适的热耦合管理系统结构,从而使燃料电池系统始终处于高效率运行状态。(3)针对PEMFC电堆停机过程中使用恒定辅助负载时,由于残余气体消耗不均匀容易引起单电池反极化现象的发生,提出了计及电压均衡的两种不同的PEMFC电堆停机策略。该方法通过采用对电堆中各个单体电池独立进行放电和采用非线性放电负载对燃料电池放电等停机控制策略,在显著缩短单体电池处于高电位时间的同时,很好的避免了停机过程中残余气体消耗不均匀的现象,有效的杜绝了电堆停机过程中单电池反极化现象的发生,也提高了单体电池电压均衡性。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 数值模拟 相对湿度 热耦合 停机策略
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 阴、阳极加湿对PEMFC性能影响的差异性13
• 1.2.2 PEMFC与金属储氢器的热管理13-14
• 1.2.3 PEMFC电源系统停机策略14-16
• 1.3 主要研究内容16-17
• 1.4 结构安排17-18
• 第2章 阴、阳极气体加湿对PEMFC性能影响的差异性18-25
• 2.1 引言18
• 2.2 直流道质子交换膜燃料电池模型18-19
• 2.2.1 几何模型及网格划分18-19
• 2.2.2 模型假设19
• 2.3 计算结果与讨论19-24
• 2.3.1 阳极气体湿度对PEMFC性能的影响19-21
• 2.3.2 阴极气体湿度对PEMFC性能的影响21-23
• 2.3.3 阴、阳极气体湿度对PEMFC性能影响的差异性23-24
• 2.4 小结24-25
• 第3章 质子交换膜燃料电池测试系统25-30
• 3.1 引言25
• 3.2 质子交换膜燃料电池的工作原理25-27
• 3.3 质子交换膜燃料电池电源系统27-28
• 3.4 空冷自增湿PEMFC测试系统28-30
• 第4章 PEMFC电源系统耦合热管理实验研究30-38
• 4.1 引言30
• 4.2 PEMFC与金属储氯器的热分析30-31
• 4.3 实验方案31-32
• 4.3.1 实验系统31-32
• 4.3.2 实验条件32
• 4.4 实验结果与分析32-37
• 4.4.1 电堆输出特性32-33
• 4.4.2 单电池电压均衡性33-34
• 4.4.3 温度的影响34-35
• 4.4.4 风扇的功耗35-37
• 4.5 小结37-38
• 第5章 PEMFC电源系统停机策略38-49
• 5.1 引言38
• 5.2 PEMFC启停过程38-39
• 5.3 PEMFC启停过程性能衰减机理39-42
• 5.3.1 碳载体的氧化反应39-40
• 5.3.2 反向电流机理40-41
• 5.3.3 局部燃料缺气41-42
• 5.4 PEMFC电源系统停机策略42-47
• 5.4.1 直接停机42-43
• 5.4.2 恒定的放电负载43-45
• 5.4.3 模块化放电45-46
• 5.4.4 非线性放电负载46-47
• 5.5 小结47-49
• 结论49-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-55
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果55

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本文编号：1093221