高温质子交换膜燃料电池的瞬态性能研究

摘要

在燃料电池的应用中,传统的质子交换膜燃料电池(PEMFC)面临着水管理困难,对CO的耐受性弱等缺点。而高温质子交换膜燃料电池却没有这两个缺点,首先它是工作在100℃以上,没有液态水的产生,水管理比较简单;其次它对CO的耐受能力要高得多,因此高温质子交换膜燃料电池逐渐走进人们的视野中。而基于燃料电池在实际中的应用,本文主要研究分析高温PEMFC在不同条件下的瞬态响应过程。
　　本文通过建立一个三维非等温瞬态模型来分析不同外部条件突变时对电池输出电流的影响。首先介绍了所使用的物理模型与相应的数学模型,在这个模型中,考虑了质子交换膜的磷酸掺杂程度,温度,相对湿度对膜的电导率的影响。其次主要针对这几方面开展了不同负载突变、温度突变、压力突变对电池瞬态性能的影响。
　　模拟结果表明,在供应气体足量的情况下,电池对负载突变下的响应非常迅速,而当供应气体浓度(特别是氧气摩尔浓度)不足时,响应速度会相应的变慢,而在其它条件相同的情况下,高负载及低湿度时的瞬态响应更容易达到稳定。当环境温度发生突变时,较大的磷酸掺杂程度,较小的负载都会使瞬态响应达到稳定的时间缩短,并且温度变化的过程是由外至内进行的,越靠近电池内部,其温度变化越慢。而当相对湿度增加时,会使温度突变达到稳定的时间变长,并且当湿度大到一定程度时,会出现下冲的现象,随着湿度的增大,这个下冲量也会相应的增大。当进气压力变大时,较小的磷酸掺杂程度,较小的入口相对湿度,较大的负载等都会使电池更快的达到稳定状态,而当湿度较大时,电流密度会上升至一个较大值。温度对压力突变的影响根据压力的变化程度的不同而有所不同。

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第一章 绪论

1.1前言

1.2燃料电池基本结构与原理

1.3高温质子交换膜燃料电池

1.4燃料电池瞬态响应研究的必要性

1.5本文研究内容及预期目标

第二章 PEMFC瞬态响应研究现状

2.1常温PEMFC的瞬态研究现状

2.2高温PEMFC瞬态研究现状

2.3本章小结

第三章 高温PEMFC的瞬态三维非等温模型

3.1物理模型

3.2模型假设

3.3数学模型

3.4电化学反应模型

3.5边界条件及模拟过程

3.6本章小结

第四章 模拟结果分析与讨论

4.1模型有效性的实验验证

4.2负载突变下的瞬态响应

4.3温度突变下的瞬态响应

4.4进气压力突变下的瞬态响应

4.5本章小结

第五章 全文总结及展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢