燃料電池輸出特性建模與實(shí)驗(yàn)分析.pdf

1、能源緊缺與環(huán)境污染已成為人類(lèi)社會(huì)亟待解決的兩大議題。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)及釩液流電池以能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)成為目前燃料電池領(lǐng)域備受青睞的兩類(lèi)產(chǎn)品。但這兩類(lèi)燃料電池也存在非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合性及大滯后性等特點(diǎn)，對(duì)其大規(guī)模商業(yè)化造成了較大的阻礙，故十分有必要針對(duì)這兩類(lèi)燃料電池的輸出特性開(kāi)展深入研究，以期提高電池的性能，從而推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程，使之能夠更好地助力人類(lèi)社會(huì)發(fā)展。
　　本文首先介紹了PEMFC的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)

2、，依據(jù)電化學(xué)熱力學(xué)和電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)原理對(duì)PEMFC的輸出特性展開(kāi)了分析，從水-熱平衡管理的角度對(duì)PEMFC輸出性能的重要影響加以討論，并分析了釩液流電池的工作原理和特點(diǎn)。
　　對(duì)這兩類(lèi)燃料電池進(jìn)行建模與仿真分析，有利于后續(xù)對(duì)其輸出特性進(jìn)行深入分析和控制策略?xún)?yōu)化。本文以PEMFC的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，建立了包含電壓輸出模型、熱力學(xué)模型以及氣體分壓模型的PEMFC單電池動(dòng)態(tài)模型，并基于Matlab/Simulink平臺(tái)進(jìn)行了負(fù)載階躍變化情

3、況下的動(dòng)態(tài)特性仿真。依據(jù)釩液流電池的開(kāi)路電壓模型、歐姆內(nèi)阻模型與極化過(guò)電勢(shì)模型搭建了基于Matlab/Simulink平臺(tái)的釩液流單電池模型，進(jìn)行了不同電解液流速下的穩(wěn)態(tài)特性仿真。
　　針對(duì)目前釩液流電池系統(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)電解液流動(dòng)的泵能耗過(guò)高的缺點(diǎn)，本文提出對(duì)釩液流電池進(jìn)行脈動(dòng)供液的控制策略，于不同脈動(dòng)周期、流速下對(duì)釩液流電池進(jìn)行恒流充放電實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)充放電曲線(xiàn)、泵的能耗、單電池能量效率與預(yù)估系統(tǒng)效率的分析，證明了該控制策略能在一定

4、程度上提高電池系統(tǒng)層面的效率。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的陰極開(kāi)放式強(qiáng)制對(duì)流型PEMFC，通過(guò)SolidWorks軟件設(shè)計(jì)并3D打印了PEMFC的多流向空氣散熱系統(tǒng)，在不同側(cè)面開(kāi)口寬度及不同風(fēng)扇工作電壓下開(kāi)展了多方向空氣流動(dòng)對(duì)電池性能影響的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，證實(shí)了該散熱系統(tǒng)能夠顯著提高流過(guò)電池的空氣流速分布的均勻性，并且能夠一定程度上提高電池的輸出功率。在結(jié)尾處對(duì)本文的工作做出了總結(jié)，指出了考慮不周之處，并針對(duì)本論