空冷型开放式阴极质子交换膜燃料电池自管理特性研究

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有零污染、功率密度高、启动速度快、噪声低和结构简单等诸多优点，可以在便携式领域、交通运输领域和固定式发电领域发挥重要作用，从而缓解当今能源短缺和环境污染严重的问题。其中开放式阴极PEMFC采用风扇强制进气的方式来为自身提供氧化物和冷却空气，减少了电堆系统的辅助设备，从而提高了燃料电池系统的输出效率，因此在便携式领域和无人机应用上备受青睐。但其复杂的水管理和热管理一直以来都是阻碍其进一步商业化应用的重要原因。　　目前多数研究采用控制算法对风扇的转速进行控制进而实现电池内部水热平衡的目标，但小功率燃料电池电堆需要更为简单的冷却系统以简化其设计并提高系统的效率。本研究利用开放式阴极PEMFC的自管理特性对燃料电池的冷却系统进行设计，该特性使燃料电池能够在没有任何外部电路控制其运行参数的情况下实现内部的水热平衡，从而在一定的负载范围内稳定有效地运行，提高燃料电池系统的输出效率。本文利用Horizon公司100W金属极板开放式阴极燃料电池对PEMFC的自管理特性进行了研究和验证，主要开展的研究和取得的成果如下：　　首先对处于不同工作模式和不同工作电压的轴流式风扇的供气总量和供气风速分布进行了实验研究，从而为后文电堆在不同工作条件下表现出的性能差异提供理论支撑。实验结果表明，在同一风扇工作电压下，相比于吸气模式，吹气模式下风扇提供的总风量较大，但同时其风速分布的均匀性较差，主要表现为中间低四周高的趋势。　　然后针对不同工作模式的风扇对电堆的恒流输出性能、电化学阻抗性能进行了对比实验研究，从而为本研究所使用的电堆选择最合适的风扇工作条件（工作模式和工作电压）。结果表明当风扇处于吸气工作模式（7.5V）和吹气工作模式（8.5V）时，电堆在0.5A-7A的负载范围内都能稳定输出电压，且吹气模式下的电堆输出电压更高。这主要得益于电池自身的水热平衡管理能力，使电堆在负载变化的情况下能快速调节自身的散热和排水，从而避免电池出现膜干和水淹的现象。通过对电堆内部阻抗测试得知电堆的自管理性能是通过平衡其内部的极化电阻和欧姆电阻来达到在不同负载下最优输出的目标。因此，最适合本研究所用电堆的冷却风扇工作条件为：工作在吹气模式，供电电压为8.5V。　　最后，依据上述阐述的冷却风扇工作条件的选择方法，为另一个金属双极板PEMFC（60W）选定了最适合的冷却风扇工作模式及供电电压：以6V的供电电压工作于吹模式下。在此条件下，对电堆的温度分布和单体电池电压分布进行测试。结果表明，当电堆工作在5A-7A的负载下时，电堆的温度分布和单电池电压都比较均匀，这表明本文提出的风扇选择方法是可行且有效的，同时也验证了金属双极板开放式阴极PEMFC的自管理特性在电堆一致性发面发挥的积极作用。

目录

1 绪论

1.1 研究工作的背景和意义

1.2 PEMFC基本原理

1.3 燃料电池测试方法

1.4 PEMFC的冷却技术

1.5 本文主要内容

2 开放式阴极燃料电池自管理原理

2.1自管理特性原理

2.2自管理特性应用分析

2.3本章小结

3轴流式散热风扇工作特性研究

3.1试验装置及方案设计

3.1.1空气流量测试

3.1.2空气流速分布测试

3.2 测试结果及分析

3.2.1 流量测试

3.2.2 风速测试

3.3 风扇特性曲线

3.4 本章小结

4 空冷型开放式阴极PEMFC自管理特性分析

4.1 实验装置及方案设计

4.1.1 实验装置

4.1.2 实验方案

4.2 实验结果及分析

4.2.1 风扇在吸气工作模式下PEMFC的性能分析

4.2.2 风扇吹气工作模式下PEMFC的性能分析

4.2.3 电堆性能对比分析

4.2.4 阴极供风量对燃料电池系统的效率影响

4.3本章小结

5自管理特性应用研究

5.1 实验设备及测试方案

5.2 实验结果及分析

5.2.1 燃料电池输出特性曲线

5.2.2 燃料电池温度分布

5.2.3 燃料电池单体电压分布

5.3 不确定性分析

5.4 本章小结

6结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 后续研究工作展望

参考文献

附录

A. 攻读硕士期间发表论文

B. 攻读硕士期间获得的奖励

C. 学位论文数据集

致谢