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《天津大学》 2009年
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面向质子交换膜燃料电池能量系统的优化设计与性能分析

谢春刚  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)在电化学反应过程中要产生相当数量的热能,这部分热能需要从电池堆中排出以防止膜的脱水和过热现象的发生,因此在能量转化的过程中PEMFC的运行温度一般要保持在70℃左右。传统的热能转换技术一般难以在这样的低温下实现热能的二次利用。随着现代可再生能源技术的不断发展,很多新型的能源转换技术已可有效地抽取低温热能来满足不同热应用的需求。通过技术的组合,PEMFC的热电联供系统不仅可提高系统能量的综合效率,而且可依据能量的级别来对能源进行合理利用。围绕上述观点,本文结合不同尺度的PEMFC热电联供系统的应用实例研究如下: 1.将小型PEMFC在水下滑翔器内实现热电联供以提高燃料综合利用效率。在此热电联供系统中,PEMFC可以在为滑翔器内部的传感器和控制电路提供电能的同时,将其所产生的热能作为其航行的驱动动力。试验验证,此系统使温差热机的性能得到了明显的改进;通过改变PEMFC的运行条件可以有效地控制其输出的热电比例,以满足滑翔器在不同航行条件下的驱动要求。 2.介绍了应用于燃料电池混合动力电动车FCHEV(Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle)的三种典型动力链设计。其目的是通过对综合效率、燃料经济性以及行驶成本的评估,论证在不同动力链下FCHEV的经济可行性。此外,提出了将温差发电机作为PEMFC废热的回收装置,使其产生的热量能够直接转化为电能并可用于锂电池的在线充电。试验结果显示,此项技术可以在提高燃料综合利用率的同时降低对车载锂电池的尺寸要求。 3.提出了在PEMFC分布式发电系统中实现梯级能量利用的设计。由于PEMFC在发电的过程中要产生相当数量的热能,这部分热能除用于建筑空间采暖之外还可借助海洋热能转化(OTEC)技术进行二次发电。火用分析显示由于热能转换(TEC)系统可获得PEMFC优质热能,相对于传统OTEC,其性能得到了显著地提高。分析结果显示PEMFC和TEC子系统之间通过温度变化而相互关联,TEC子系统的发电效率和输出功率均随温度发生非线性变化。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM911.4

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【引证文献】
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