计及电压一致性的kW级空冷型PEMFC动态响应研究

发布时间：2017-06-21 03:10

  本文关键词：计及电压一致性的kW级空冷型PEMFC动态响应研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在面临能源危机的今天,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为一种新能源具有广阔的应用前景,它利用固体电解质,以氢气作为燃料,通过氢氧化合作用,直接将化学能转化为电能,可以实现零排放,是环保型能源。其中,空冷型PEMFC更是因其结构简单,使用方便,在许多小功率场合都能见到它的身影。但也正因为结构简单,使其容易受外界条件影响,使电堆性能和单电压一致性降低,导致其寿命缩短。所以研究影响其电堆性能和单电压一致性的因素,给出改善的建议,从而延长燃料电池的工作寿命,具有重要意义。现有的kW级空冷型PEMFC,往往基于厂家建议的排放周期和最佳温度分别对尾气阀和风扇进行控制,但即使温度控制满足要求,单体电池电压及其一致性却可能很差。然而,单体电池电压及其一致性是反映和影响电堆性能及寿命的重要因素,因此有必要对现有kW级空冷型PEMF C控制模式下的单体电池动态一致性开展研究。在自行搭建的2kW空冷型PEMFC测试平台上进行实验,研究了PEMFC动态工况下的电压响应和单电池电压动态一致性。最后,基于实验结果,给出了计及电压一致性的动态变载建议。空冷型PEMFC结构简单,所以控制手段主要只有最优温度控制、尾气控制和入口氢气压力控制。本文主要研究了分别在稳态运行和动态运行时,氢气压力对电堆性能和单电压一致性的影响。燃料电池频繁经历动态过程是引起电堆性能衰减的一个重要因素,而其中定期排气这一动态过程常常被忽略,本文针对这一过程,研究了氢气压力波动和进出口压降的变化。本文的研究为空冷型PEMFC在实际工作中的动态变载管理和氢气压力控制提供了实验数据基础,具有一定的指导意义和参考价值。
【关键词】：空冷型PEMFC 动态响应 阶跃变载 斜坡变载 氢气压力 排气过程
【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
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 燃料电池的寿命研究12-13
• 1.2.2 PEMFC电堆动态响应研究13-14
• 1.2.3 空冷型PEMFC的控制手段14-15
• 1.2.4 操作条件对PEMFC电堆的影响研究15
• 1.3 本文的主要研究内容和工作15-17
• 第2章 空冷型PEMFC的原理和控制17-24
• 2.1 引言17
• 2.2 PEMFC原理概述17-19
• 2.2.1 PEMFC工作原理17-18
• 2.2.2 空冷自增湿PEMFC18-19
• 2.3 空冷型PEMFC的控制方法19-20
• 2.3.1 最优温度控制19-20
• 2.3.2 尾气控制20
• 2.4 实验平台搭建20-23
• 2.5 小结23-24
• 第3章 动态变载对空冷型PEMFC的影响24-45
• 3.1 引言24
• 3.2 开路单电池电压测试24-26
• 3.3 阶跃加减载测试与分析26-37
• 3.3.1 阶跃加载实验27-32
• 3.3.2 阶跃减载实验32-37
• 3.4 动态加减载实验37-43
• 3.4.1 动态加载实验37-40
• 3.4.2 动态减载实验40-43
• 3.5 小结43-45
• 第4章 氢气压力对空冷型PEMFC的影响45-64
• 4.1 引言45
• 4.2 氢气供给系统45-47
• 4.3 PEMFC电化学反应动力学47-49
• 4.3.1 活化极化48
• 4.3.2 欧姆极化48-49
• 4.3.3 浓差极化49
• 4.4 稳态运行时氢气压力对电堆的影响49-51
• 4.4.1 实验步骤49-50
• 4.4.2 实验结果及分析50-51
• 4.5 动态运行时氢气压力对电堆的影响51-54
• 4.5.1 实验步骤52
• 4.5.2 实验结果及分析52-54
• 4.6 排气过程中氢气压力的变化54-62
• 4.6.1 实验系统54-55
• 4.6.2 实验步骤55-56
• 4.6.3 实验结果及分析56-62
• 4.7 小结62-64
• 结论与展望64-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果71

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