水冷型PEMFC输出特性研究及优化

摘要

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）能否稳定、高效、可持续地输出电能是实现商业化的关键问题，本文着重于质子交换膜燃料电池输出特性的研究和优化，应用美国Scribner联合公司提供的型号为890e的PEMFC单电池测试系统和新源动力股份有限公司提供的SP-FCT-30K燃料电池测试系统，研究水冷型PEMFC单电池和10 kW水冷型电堆的输出特性，并针对两种研究对象分别提出了对应的优化策略。主要研究内容如下： （1 ）研究阴阳极饥饿对 PEMFC 单电池输出特性的影响，结果显示氧饥饿对PEMFC单电池有着显著的影响，当空气过量系数逐渐减小，极化曲线下降速率加快，最大功率密度值减小，单电池性能加速衰减；而氢饥饿对PEMFC单电池影响较小。 （2）分析不同操作条件对PEMFC单电池电化学阻抗的影响，结果表明阴极过量系数对PEMFC单电池高频阻抗的影响最大，温度和湿度次之，阳极过量系数对其影响最小；等效电路的拟合曲线与实际运行的曲线具有一定的偏差，各阻抗的最大绝对误差为2.1609 mΩ，最大相对误差为46.6%，但应用该等效电路能够准确地判断个阻抗值的大小关系以及相应的变化趋势，可以较好的等效替代实验结果。 （3）针对PEMFC单电池的输出性能优化，应用电流短路、电流扰动以及空气流量扰动三种操作条件扰动方法达到优化其性能的目的。实验发现三种方法均能有效提高PEMFC单电池的输出性能，其中电流短路对PEMFC输出性能提高最为明显，尤其是在大电流的情况下，输出电压最高可提高0.17V，输出功率最高可提高8.56W。 （4）针对PEMFC电堆，研究电堆温度和氧饥饿对其输出特性的影响，结果表明电堆最佳温度与负载大小紧密相关；随着氧饥饿程度的加深，PEMFC电堆输出电压减小，输出性能降低且电压波动性增加。 （5）为优化PEMFC 电堆的输出性能，提出“短时氧饥饿”优化PEMFC电堆输出性能的策略。实验采用控制变量法，从短时降低空气过量系数、辅助负载电流值和 “短时氧饥饿”维持时间三个方面进行实验。结果发现，选定恰当的维持时间（本实验为10s），短时降低空气过量系数较低，辅助负载电流值较大，质子交换膜燃料电池输出性能提高越明显，且维持时间越长。

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