自增湿阴极开放式PEMFC输出特性实验分析及动态建模

摘要

能源和环境已成为人类社会可持续发展的两大战略主题。加大研发和利用风能、太阳能、氢能等新能源已成为必然趋势。燃料电池不受卡诺循环限制，直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能等温、高效率、零排放地转化为电能。其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，以下简称PEMFC）在便携式移动电源、分散电站、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。自增湿阴极开放式PEMFC省去了外增湿设备，简化电池系统，提高燃料电池比功率输出。自增湿PEMFC依据电池内的水平衡控制，水的唯一来源由阴极电化学反应产生。自增湿PEMFC的水平衡和热平衡管理是影响膜水含量的两大因素，且它们对电池性能的影响相互耦合。
　　论文首先依据燃料电池的热力学性质和动力学模型，在基于实验室自制的自增湿阴极开放式PEMFC测试平台上设计完成了温度控制和线性温度扫描测试实验，并对测试所得数据拟合的极化曲线做了相应的电极过程动力学分析。此外，还针对实验测试中采用的基于半导体制冷片的温度控制器硬件开发设计做了简单总结。
　　通常，PEMFC单片电池的开路电压为0.9V～1.0V。为了满足负载所需电压，需要将几十到几百片单电池串联构成PEMFC电池堆。空冷型PEMFC电池堆的阴极风扇对电池温度分布有直接的影响。针对新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心自主设计开发的百瓦级空冷型PEMFC电池组开展了相关实验研究。考察了不同负载下电池组的输出性能，并对单体电池的电压分布进行了测试。通过红外热成像技术对电池组表面温度分布情况进行研究。
　　最后，以经验模型为基础，基于电化学基本原理和理想气体状态方程建立了以反应气流量、工作温度为模型输入，输出电压为模型输出的PEMFC单电池仿真模型。并利用Methrom公司的Autolab测试平台对仿真模型进行了实验验证。
　　本文在文章结尾总结了取得的成果，提出了系统的不足，给出了作者的建议，同时对该研究的前景进行了分析和展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池的发展历程及国内外研究现状

1．2．1 燃料电池发展历程

1．2．2 国内外研究现状

1．3 本论文研究意义及主要工作

第2章 PEMFC工作原理概述

2．1 PEMFC原理概述

2．1．1 PEMFC工作原理

2．1．2 自增湿阴极开放式PEMFC

2．2 PEMFC电化学热力学

2．3 PEMFC电极过程动力学

2．3．1 开路电压

2．3．2 活化极化过电压

2．3．3 欧姆极化过电压

2．3．4 浓差极化过电压

2．4 自增湿PEMFC水热平衡管理

第3章 自增湿PEMFC单电池温度调控实验分析

3．1 自增湿阴极开放式PEMFC的温控实验

3．1．1 实验系统及方案

3．1．2 实验结果与讨论

3．1．4 结论

3．2 自增湿阴极开放式PEMFC线性温度扫描实验

3．2．1 线性温度扫描原理及控制器设计

3．2．2 实验设备及系统

3．2．3 结果与讨论

3．2．4 结论

3．3 基于半导体制冷片的PEMFC温度控制平台设计开发

3．3．1 系统结构与原理

3．3．2 控制器设计

第4章 自增湿PEMFC电池堆实验分析

4．1 电池堆性能实验实验系统及方案

4．1．1 实验设备

4．1．2 操作参数设置

4．1．3 测试方案

4．2 稳定性测试

4．3 负载阶跃响应测试

4．4 单体电压分布测试

4．5 温度分布测试

4．6 结论

第5章 自增湿PEMFC动态建模与仿真分析

5．1 数学建模与仿真

5．1．1 电化学模型

5．1．2 热力学动态模型

5．1．3 气体分压动态模型

5．1．4 仿真分析

5．2 实验验证

5．2．1 实验设备及参数设置

5．2．2 方案设计

5．2．3 模型仿真与实验结果对比分析

5．3 结论

结论与展望

致谢

参考文献

附录1

附录2

攻读硕士学位期间发表的学术论文