燃料電池輸出特性建模與實驗分析.pdf

1、能源緊缺與環(huán)境污染已成為人類社會亟待解決的兩大議題。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)及釩液流電池以能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境友好等特點成為目前燃料電池領(lǐng)域備受青睞的兩類產(chǎn)品。但這兩類燃料電池也存在非線性、強(qiáng)耦合性及大滯后性等特點，對其大規(guī)模商業(yè)化造成了較大的阻礙，故十分有必要針對這兩類燃料電池的輸出特性開展深入研究，以期提高電池的性能，從而推動其商業(yè)化進(jìn)程，使之能夠更好地助力人類社會發(fā)展。
　　本文首先介紹了PEMFC的結(jié)構(gòu)及工作特點

2、，依據(jù)電化學(xué)熱力學(xué)和電極過程動力學(xué)原理對PEMFC的輸出特性展開了分析，從水-熱平衡管理的角度對PEMFC輸出性能的重要影響加以討論，并分析了釩液流電池的工作原理和特點。
　　對這兩類燃料電池進(jìn)行建模與仿真分析，有利于后續(xù)對其輸出特性進(jìn)行深入分析和控制策略優(yōu)化。本文以PEMFC的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，建立了包含電壓輸出模型、熱力學(xué)模型以及氣體分壓模型的PEMFC單電池動態(tài)模型，并基于Matlab/Simulink平臺進(jìn)行了負(fù)載階躍變化情

3、況下的動態(tài)特性仿真。依據(jù)釩液流電池的開路電壓模型、歐姆內(nèi)阻模型與極化過電勢模型搭建了基于Matlab/Simulink平臺的釩液流單電池模型，進(jìn)行了不同電解液流速下的穩(wěn)態(tài)特性仿真。
　　針對目前釩液流電池系統(tǒng)中用于驅(qū)動電解液流動的泵能耗過高的缺點，本文提出對釩液流電池進(jìn)行脈動供液的控制策略，于不同脈動周期、流速下對釩液流電池進(jìn)行恒流充放電實驗。通過對充放電曲線、泵的能耗、單電池能量效率與預(yù)估系統(tǒng)效率的分析，證明了該控制策略能在一定

4、程度上提高電池系統(tǒng)層面的效率。
　　本文采用實驗室自主開發(fā)的陰極開放式強(qiáng)制對流型PEMFC，通過SolidWorks軟件設(shè)計并3D打印了PEMFC的多流向空氣散熱系統(tǒng)，在不同側(cè)面開口寬度及不同風(fēng)扇工作電壓下開展了多方向空氣流動對電池性能影響的實驗研究。通過對實驗結(jié)果的分析，證實了該散熱系統(tǒng)能夠顯著提高流過電池的空氣流速分布的均勻性，并且能夠一定程度上提高電池的輸出功率。在結(jié)尾處對本文的工作做出了總結(jié)，指出了考慮不周之處，并針對本論