基于EIS的质子交换膜燃料电池的性能研究及其在空冷型结构中应用

摘要

空冷型质子交换膜燃料电池具有尺寸小、重量轻，适宜在室温工况下运行且启动迅速等特点，因此，适用于应急、便携等应用场合。本文首先基于EIS方法，研究了不同操作条件下，质子交换膜燃料电池单电池的运行特性，在此基础上研究了新型空冷型质子交换膜燃料电池的性能及稳定性。具体内容如下：
　　为研究电池运行温度以及反应气体利用率对 PE MF C单电池性能的影响，本文分别测试了在常规工况下,不同运行温度以及不同反应气体利用率单电池的伏安特性曲线以及E IS图谱。结果表明在进气增湿温度相同的条件下，电池性能随运行温度的升高而下降；氢气利用率对电池性能影响不大；随着空气利用率的提高，电池性能下降，但是在过低的空气利用率情况下，燃料电池性能也有所下降。
　　进一步将单电池的运行温度设定为与空冷型质子交换膜燃料电池运行相接近的室温工况，在此基础上，研究电池阴极和阳极的增湿温度为室温以及电池阴极和阳极反应气体不增湿的情况对单电池的性能影响和EI S图谱。研究结果表明：当单电池在工况1（工况1：阳极进气不增湿、阴极进气增湿温度为室温）下运行时，其性能与该电池在工况2（工况2：阴、阳极两侧同时增湿且增湿温度设定室温） 下运行时有所下降。在低电流密度（200mA/cm2）条件下，单电池在工况1下运行时，其阻抗略小于在工况2下运行的阻抗；随着电流密度的增大（600mA/cm2-800mA/cm2），单电池在工况1下运行时，其阻抗开始大于在工况2下运行时的阻抗。此外，当电池在工况3（工况3：阴极进气不增湿，阳极进气增湿温度为室温）下运行时，其性能较之在工况2下运行时有所下降；在低电流密度（200mA/cm2）条件下，当单电池在工况3下运行时，其阻抗较之工况2下运行略大，对于中等电流密度（600mA/cm2）情况，单电池运行在工况3和工况2时，两者的阻抗差距更为明显，但在大电流密度条件（800mA/cm2）下，单电池运行在工况3和工况2时，两者阻抗差距反而减小。
　　最后，针对现有的空冷型质子交换膜燃料电池堆的结构设计缺陷，提出了一种新型的空冷型质子交换膜燃料电池堆结构，并深入测试了该新型空冷型电堆单电池的性能及稳定性。结果显示：在低温、低湿条件下，空冷型单电池性能较差；不同排气时间对电池的性能影响较小；对于处在不同排气条件下的电池，随着闭气时间的增加以及排气时间的减短，电池电压值增大，其下降速度减缓，即稳定性加强。

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第一章 绪论

1.1 燃料电池简介

1.2 质子交换膜燃料电池

1.3 质子交换膜燃料电池测试的最新进展以及空冷型燃料电池研究现状

1.4主要研究内容

第二章 实验介绍

2.1 PEMFC单电池的结构

2.2 电池测试设备

2.3 实验辅助设备

2.4 实验中性能测试的相关原理

第三章 运行参数对常规PEMFC性能的影响

3.1 电池运行参数对PEMFC性能影响的研究现状

3.2 实验结果及讨论

3.3 本章结论

第四章 接近常温工况下反应气体不增湿对PEMFC性能的影响

4.1 研究现状

4.2 阳极不增湿对单电池性能的影响

4.3 阴极不增湿对单电池性能的影响

4.4 本章结论

第五章 空冷型质子交换膜燃料电池堆的结构创新以及性能研究

5.1 空冷型质子交换膜燃料电池的特点以及研究现状

5.2 空冷型质子交换膜燃料电池结构的优化设计

5.3 实验方法与仪器

5.4 实验结果与讨论

5.5 结论

第六章本文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢