质子交换膜燃料电池内部参数监测技术的研究
发布时间：2021-09-05 14:27
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一个集合了物理与化学反应的发电系统,可以将清洁可再生燃料高效的转换为电能,其性能的好坏取决于输入的操作参数和对电池工况的实时调控。电池工作的时候内部参数是动态变化的,因此电流密度和温度存在分布不均的现象,此时电池内部参数的原位监测对于保障其正常工作尤为重要。目前许多PEMFC参数监测技术都具有破坏性或者不能实现原位监测。本文围绕PEMFC内部参数监测技术展开研究,通过仿真和实验相结合,研究微传感器对PEMFC性能的影响,并对电池内部温度和电流密度分布情况进行了研究,主要内容如下:首先,对微传感器分布位置进行理论研究,建立PEMFC数学模型,通过数值仿真,研究阳极流场和阴极流场温度、电流密度分布情况,分析微传感器分别位于流道肩和流道内对电池性能的影响,发现将传感器置于流道内对PEMFC性能影响更小,且阳极流场和阴极流场温度和电流密度分布情况相近。其次,阐述PCB蛇形流场分区原理（PCB分区技术和电阻网络技术）及分区方式,然后根据微温度传感器和电压传感器的工作原理对其进行设计,结合分区流场和微传感器设计PCB电路,构建分区电池,接着对微温度和电压传感器进行...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC的基本工作原理
3PEMFC结构如图1-1所示，主要由端板（EndPlate）、双极板（Bipolarplate）、流道（FlowChannel）、气体扩散层（GasDiffusionLayer,GDL）、催化层（CatalystLayer,CL）、质子交换膜（ProtonExchangeMembrane,PEM）、密封圈等构成，并逐级装配。其中阴阳极GDL、阴阳极CL以及PEM组成膜电极（MembraneElectrodeAssembly,MEA）[11]。图1-1PEMFC结构示意图图1-2PEMFC的基本工作原理如图1-2为PEMFC的工作原理，阳极通氢气，阴极通空气，反应气体经流道、扩散层、催化层发生电化学反应。阳极e、H由2H经催化剂作用下分解，流道螺栓MEA端板极板垫圈
隹谂懦觥Ｓ捎诘缱拥那ㄒ疲?饨拥缏?会产生电流。在标况（25℃，101315Pa）下，PEMFC的理论电势为1.229V，但由于工作过程中存在活化极化、欧姆极化和浓差极化损失，燃料转化为电能和热能，实际电势约为0.7V[12]。实际应用中，需要较大的负载功率时，需要把多个燃料电池串联在一起，对于电池内部参数的监测显得尤为重要。蔡璐瑶[1]研究了PEMFC原位水分布检测技术及应用，应用了分区电池系统进行电池原位检测，为PEMFC水管理提供了一种可视化方法。分区集流技术路线的主流是利用PCB技术进行分区电池的设计并用于监测。如图1-3所示，JiaoK等[13]通过同时测量电流和温度的分布着重研究PEMFC的冷启动特性，并且还开发了一种快速估算吹扫时间的分析模型。图1-3一种使用PCB分区技术的PEMFC电流和温度分布采集装置1.2.2燃料电池监测技术的研究现状电池监测技术一般有原位监测和异位监测两种技术手段，监测即是为了实时掌握燃料电池的内部工况，并且能够知悉电池的工作特性，为深入研究提供可靠数据。在原位监测中，根据测量原理，可分为物理和电化学监测法两种。物理监测技术主要是通过外置检测设备，通过成像技术或者物质分离、成分检测的方法，以物理检测手段直观呈现燃料电池内部参数分布情况。常用的主要有：1）中子成像；2）光学可视化；3）X光成像；4）质子核磁共振成像（NMRImage）；5）气相色谱（Gaschromatography）。电化学监测方法则利用PEMFC的电化学性质，运用电路测量，通过相关传感器及外置电路对其进行直接/间接的方式来获得燃料电池的电压、电流、电阻
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电磁场的PEMFC电流分布实时非接触测量研究[J]. 仲志丹,王冰雪,杨晴霞,党国辉,李鹏辉. 系统仿真学报. 2014(12)
[2]质子交换膜燃料电池测试系统的国内外研究进展[J]. 泮国荣,胡桂林,李国能,郑友取,林财荣. 能源工程. 2014(01)
硕士论文
[1]PEMFC分区集流检测技术研究及启停特性分析[D]. 曹继申.电子科技大学 2018
[2]PEMFC原位水分布检测技术研究及应用[D]. 蔡璐瑶.电子科技大学 2018
[3]质子交换膜燃料电池测控系统研究[D]. 高一方.西南交通大学 2017
[4]水冷型质子交换膜燃料电池限制高电位策略研究[D]. 李岩.西南交通大学 2017
[5]蒸汽式直接甲醇燃料电池燃料汽化系统设计与性能研究[D]. 张兆春.华南理工大学 2016
[6]质子交换膜燃料电池多工况下在线性能实验研究[D]. 张智轩.天津大学 2015
[7]锁紧螺栓对PEMFC电堆双极板热力变形影响的研究[D]. 艾有俊.武汉理工大学 2015
[8]基于有限元方法的电池组电流分布检测分析研究[D]. 王冰雪.河南科技大学 2014
[9]液压功率智能仪表性能及故障监测研究[D]. 张俊.大连海事大学 2012
[10]基于虚拟仪器的太阳能电池热循环测试系统研究[D]. 孙昊骋.华中科技大学 2012
本文编号：3385515
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC的基本工作原理
3PEMFC结构如图1-1所示，主要由端板（EndPlate）、双极板（Bipolarplate）、流道（FlowChannel）、气体扩散层（GasDiffusionLayer,GDL）、催化层（CatalystLayer,CL）、质子交换膜（ProtonExchangeMembrane,PEM）、密封圈等构成，并逐级装配。其中阴阳极GDL、阴阳极CL以及PEM组成膜电极（MembraneElectrodeAssembly,MEA）[11]。图1-1PEMFC结构示意图图1-2PEMFC的基本工作原理如图1-2为PEMFC的工作原理，阳极通氢气，阴极通空气，反应气体经流道、扩散层、催化层发生电化学反应。阳极e、H由2H经催化剂作用下分解，流道螺栓MEA端板极板垫圈
隹谂懦觥Ｓ捎诘缱拥那ㄒ疲?饨拥缏?会产生电流。在标况（25℃，101315Pa）下，PEMFC的理论电势为1.229V，但由于工作过程中存在活化极化、欧姆极化和浓差极化损失，燃料转化为电能和热能，实际电势约为0.7V[12]。实际应用中，需要较大的负载功率时，需要把多个燃料电池串联在一起，对于电池内部参数的监测显得尤为重要。蔡璐瑶[1]研究了PEMFC原位水分布检测技术及应用，应用了分区电池系统进行电池原位检测，为PEMFC水管理提供了一种可视化方法。分区集流技术路线的主流是利用PCB技术进行分区电池的设计并用于监测。如图1-3所示，JiaoK等[13]通过同时测量电流和温度的分布着重研究PEMFC的冷启动特性，并且还开发了一种快速估算吹扫时间的分析模型。图1-3一种使用PCB分区技术的PEMFC电流和温度分布采集装置1.2.2燃料电池监测技术的研究现状电池监测技术一般有原位监测和异位监测两种技术手段，监测即是为了实时掌握燃料电池的内部工况，并且能够知悉电池的工作特性，为深入研究提供可靠数据。在原位监测中，根据测量原理，可分为物理和电化学监测法两种。物理监测技术主要是通过外置检测设备，通过成像技术或者物质分离、成分检测的方法，以物理检测手段直观呈现燃料电池内部参数分布情况。常用的主要有：1）中子成像；2）光学可视化；3）X光成像；4）质子核磁共振成像（NMRImage）；5）气相色谱（Gaschromatography）。电化学监测方法则利用PEMFC的电化学性质，运用电路测量，通过相关传感器及外置电路对其进行直接/间接的方式来获得燃料电池的电压、电流、电阻
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电磁场的PEMFC电流分布实时非接触测量研究[J]. 仲志丹,王冰雪,杨晴霞,党国辉,李鹏辉. 系统仿真学报. 2014(12)
[2]质子交换膜燃料电池测试系统的国内外研究进展[J]. 泮国荣,胡桂林,李国能,郑友取,林财荣. 能源工程. 2014(01)
硕士论文
[1]PEMFC分区集流检测技术研究及启停特性分析[D]. 曹继申.电子科技大学 2018
[2]PEMFC原位水分布检测技术研究及应用[D]. 蔡璐瑶.电子科技大学 2018
[3]质子交换膜燃料电池测控系统研究[D]. 高一方.西南交通大学 2017
[4]水冷型质子交换膜燃料电池限制高电位策略研究[D]. 李岩.西南交通大学 2017
[5]蒸汽式直接甲醇燃料电池燃料汽化系统设计与性能研究[D]. 张兆春.华南理工大学 2016
[6]质子交换膜燃料电池多工况下在线性能实验研究[D]. 张智轩.天津大学 2015
[7]锁紧螺栓对PEMFC电堆双极板热力变形影响的研究[D]. 艾有俊.武汉理工大学 2015
[8]基于有限元方法的电池组电流分布检测分析研究[D]. 王冰雪.河南科技大学 2014
[9]液压功率智能仪表性能及故障监测研究[D]. 张俊.大连海事大学 2012
[10]基于虚拟仪器的太阳能电池热循环测试系统研究[D]. 孙昊骋.华中科技大学 2012
本文编号：3385515
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