面向PEMFC输出性能优化的EIS频率正割角方法研究

发布时间：2017-08-10 04:08

  本文关键词：面向PEMFC输出性能优化的EIS频率正割角方法研究

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有无腐蚀、操作温度低和启动快等特点,有着光明的应用前景。实际工作中,PEMFC输出性能并不稳定,需实时对操作条件进行调节以优化电堆输出性能,因此本文探究了燃料电池操作条件对输出性能的影响规律,针对PEMFC输出性能检测与优化问题作了深入研究。首先,结合当前PEMFC国内外研究现状,提出了一种新方法实现对电堆输出性能进行快速检测及优化。该方法将电堆电化学交流阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)中两个特定频率点连线获得其与实轴夹角α(以下简称“频率正割角法”),利用电堆当前工况下α_P(实际正割角)与电堆最优输出性能情况下α_O(理想正割角)对比,以α_O为判断标准和优化目标,可以实现快速检测电堆内部水热情况,优化电堆输出性能。其次,建立了电堆操作条件与输出电压模型和操作条件与内阻模型,通过仿真以及实际电堆V-I特性实验确定电堆最优输出性能曲线。进而使用EIS法实验检测该曲线各电流点的内阻参数,通过内阻参数计算出理想正割角α_O,并拟合α_O与电流密度i的经验公式,完成频率正割角法研究。最后,设计实验对频率正割角法进行验证,使用频率正割角法对电堆进行输出性能优化,对比优化前后电堆内阻及输出电压的变化,证明了该方法是有效可行的。
【关键词】：PEMFC 操作条件 性能检测 性能优化 频率正割角法
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-21
• 1.1 引言14-15
• 1.2 PEMFC研究现状15-19
• 1.2.1 PEMFC输出性能检测方法研究现状16-18
• 1.2.2 PEMFC输出性能优化方法研究现状18-19
• 1.3 本文主要研究内容与创新点19-21
• 2 PEMFC输出特性建模与仿真21-49
• 2.1 PEMFC工作原理与结构21-23
• 2.1.1 PEMFC工作原理21-22
• 2.1.2 PEMFC主要结构22-23
• 2.2 PEMFC等效电路模型建立及输出特性分析23-27
• 2.2.1 PEMFC开路电压分析25-26
• 2.2.2 PEMFC极化现象分析26-27
• 2.3 PEMFC操作条件对输出性能影响研究27-29
• 2.4 PEMFC操作条件与输出电压及内阻模型建立29-37
• 2.4.1 活化过电压、活化电阻与操作条件影响关系建模30-31
• 2.4.2 欧姆过电压、欧姆电阻与操作条件影响关系建模31-32
• 2.4.3 浓差过电压、浓差电阻与操作条件影响关系建模32
• 2.4.4 操作条件与输出电压关系建模32-33
• 2.4.5 操作条件与内阻关系建模33
• 2.4.6 操作条件与输出电压模型参数优化33-37
• 2.5 模型搭建与仿真结果分析37-48
• 2.5.1 PEMFC操作条件与输出电压及内阻模型的搭建37-38
• 2.5.2 PEMFC操作条件与输出电压及内阻模型仿真结果分析38-48
• 2.6 本章小结48-49
• 3 EIS频率正割角方法与实验研究49-70
• 3.1 本文方法介绍49-53
• 3.1.1 电化学交流阻抗谱法（EIS）49-50
• 3.1.2 基于EIS的频率正割角法50-51
• 3.1.3 频率正割角法转折频率选取51-53
• 3.2 质子交换膜燃料电池堆实验系统53-55
• 3.3 频率正割角法实验设计与结果分析55-69
• 3.3.1 频率正割角法实验设计56-57
• 3.3.2 频率正割角法实验结果分析57-69
• 3.4 本章小结69-70
• 4 频率正割角法的实验验证70-74
• 4.1 频率正割角法验证实验方案设计70-71
• 4.2 实验结果分析71-73
• 4.3 本章小结73-74
• 5 总结与展望74-76
• 5.1 总结74-75
• 5.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 附录A 仿真框图与仿真结果数据表80-91
• 附录B 实验系统监控界面与实物图91-92
• 作者简历92

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本文编号：648752