质子交换膜燃料电池多工况下在线性能实验研究

摘要

伴随着人类科学技术的不断发展和科技进步的日新月异，其产生的负面影响如生态环境越来越受到人们的重视。世界各国政府都开始高度重视环境和能源问题给本国、其他国家甚至整个地球所带来的危机。面对日益加剧的环境和能源危机，为了减少石油能源的消耗，降低汽车的废气排放量，人们开始致力于开发更加清洁的能源。燃料电池则被认为是替代传动动力源的一种新的能源动力装置之一。
　　在质子交换膜燃料电池的系统设计和结构优化中，需要研究不同的工作参数对电池性能的影响。若只通过理论分析以及数值仿真模型得到的结果，不一定能准确判断各种外界因素和运行条件对燃料电池性能的实际影响。因此，需要采取理论分析与实验验证相互结合的方式，对燃料电池的性能进行研究和开发。
　　本研究通过实验在线测试的方法，考察了燃料电池的排气背压、阴阳极进气湿度、工作温度、输出电压等因素对PEMFC工作性能及效率的影响。通过自行组装的PEMFC单个电池，搭建了燃料电池测试系统和性能观测平台，确定了各个工况下需要控制的操作参数，以及具体的工况要求。通过改变背压、进气温度、进气加湿比例等三个可控参数，获得了单电池不同工况下的稳态基本性能极化曲线，并分析了PEMFC性能随工况参数变化时的稳态性能变化趋势，获得了不同参数条件对PEMFC稳态工作性能的影响。
　　当质子交换膜燃料电池作为车用动力源装置工作时，由于外界实际工作环境的复杂、多变，燃料电池在较短的时间内对外输出的电压和功率范围出现频繁且大幅度的变化，因此，本研究考察了燃料电池的瞬态响应特性。在观测并分析电池电压和电流密度随时间变化规律的基础上，进一步考察了不同加载时间的电池极化特征。车用质子交换膜燃料电池还面临着低温工作环境下电池的冷启动性能的挑战。本研究基于不同外部负载启动电压的工作参数，测试了环境温度为-3℃时燃料电池的冷启动性能，并分析了友好的操作方式对冷启动性能的影响特征。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 前言

1.2燃料电池的原理及分类

1.3质子交换膜燃料电池的结构和特性

1.4燃料电池应用中的问题

1.5本研究的意义、目标及内容

1.6本章小结

第二章 燃料电池在线实验系统及实验方法

2.1燃料电池

2.2燃料电池测试系统

2.3实验控制参数及基础工况

2.4主要测试工作

2.5本章小结

第三章 在线稳态实验结果及分析

3.1背压的影响

3.2进气温度的影响

3.3进气湿度的影响

3.4本章小结

第四章 在线瞬态实验结果及分析

4.1电压及电流密度随时间变化结果及分析

4.2不同加载时间的极化特性

4.3本章小结

第五章 在线冷启动实验结果及分析

5.1冷启动试验的准备

5.2以0.3V电压启动

5.3以0.6V电压启动

5.4本章小结

第六章 工作总结及展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

致谢