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《武汉理工大学》 2010年
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质子交换膜燃料电池动态响应研究

华周发  
【摘要】:由于工况变化复杂,动态负载对车用燃料电池发动机的影响备受关注。燃料电池动态响应在一定程度上影响着电池的性能和寿命,是商业化的阻碍之一。本文旨在研究质子交换膜燃料电池在动态负载变化时的动态响应特性。本文通过瞬态测试方法,结合理论分析,对质子交换膜燃料电池动态响应特性的多个方面进行研究。研究了负载类型和加载方式以及各种操作条件等外部因素对质子交换膜燃料电池的动态响应的影响,同时利用理论分析结合空气/氧气对比试验,不同氧浓度条件下动态响应特性,以及动态负载时的电流密度分布测试对质子交换膜燃料电池动态响应的内因进行阐述。最后对动态负载下质子交换膜燃料电池电堆的寿命进行测试分析。提出膜衰减也是动态负载对质子交换膜燃料电池寿命影响的重要影响方式。主要研究内容和结论如下: (1)在燃料电池加载不同类型的负载时,其响应特性有较大不同。同样的阶跃电流下,质子交换膜燃料电池加载纯阻性负载比加载冲击性负载响应时间更短,低调量更小。当加载冲击性负载而阶跃电流为200mA/cm2时,响应时间大约是加载纯阻性负载时的4倍,低调量大约是加载纯阻性负载时的4倍左右。纯阻性负载更适合燃料电池特性。无论加载何种负载,随着阶跃电流增加,其响应时间和低调量相应增加。加载阻性负载,固定电压加载时电池低调量为0,而当固定电流加载时,电池会出现较大低调值。两者响应时间接近固定电流加载。因此固定电压加载模式较固定电流加载模式更优。 (2)阴极气体化学计量比、阴极加湿湿度以及阶跃电流密度大小是PEFC动态响应性能影响的最重要三个参数。当阴极空气化学计量比大于3时,在低电流密度区,PEMFC低调差别不明显,高电流密度区由于水的堆积,依然有较大差别,电流密度阶跃越大,其差别越大。阴极空气加湿湿度太低或者太高都会引起PEMFC动态响应的较大变化,PEMFC的动态响应性能在高于50%但是小于100%加湿,会达到一个很好的动态响应性能。 (3)当空气/氧气同时以低气体化学计量比1.2对比测试,空气高电流密度区明显出现瞬时气体不足,最低电压值出现负值。氧气的低调几乎没有随着电流密度阶跃增大而增大,一直维持在低调0.03V,响应时间在0.02S-2S之间随之递增。而空气测试时,低调和响应时间随电流阶跃增加呈现明显的线性增加,低调值在0.03V-0.45V之间,响应时间在0.1S-20S之间。当空气和氧气流速相同时,此时电压低调值氧气依然维持在0.03V,但是过量的氧气破坏了电池的水平衡,导致响应时间大大增加。随氧浓度增加,PEMFC动态响应低调和响应时间随之线性减少。因此PEMFC动态响应主要由传质受限引起。 (4)稳态时电流密度不均匀主要出现在进出口和活性面积边缘区域。一般最高和最低的电流密度大小比值为6倍。动态电流加载后,会加剧进出口和边缘区域的不均匀性,最高和最低的电流密度比值达到14倍。最高电流密度一般出现在活性面积中间区域。并且最高电流密度区会随着随着气管理和水管理的优劣扩大或者缩小。动态负载加载时,其不均匀性呈漏斗状,四周和进出口最不均匀,而中间区域最低,高低比值高达6-10倍。 (5)初始电性能很好且单片很均匀:0.69V@600mA/cm2,但是在经过12000此循环后,电池平均单片电性能:0.63V@600 mA/cm2,工作电压衰减率:1.5μV/cycle,比GM测试结果要好,但是距离5500小时寿命还有距离,说明催化剂流失或团聚仍然是重大问题。OCV衰减:2.5μV/cycle,比工作电压衰减大,因此膜在高电压循环下的腐蚀也是很严重的问题。电堆工作电压一致性标准偏差经过10000次循环后提高一倍,达到16mV。进出口HFR增高,温度对单片性能的影响很大,因此以上讨论应该基于VIR-FREE来进行。质子交换膜的衰减在PEMFC电堆动态负载条件的衰减由于膜的减薄,引起crossover的增加和针孔的增多,比催化剂和其他部件的衰减快,因此,质子交换膜的衰减是电堆动态负载下衰减的重要因素。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM911.4

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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3 华周发;质子交换膜燃料电池动态响应研究[D];武汉理工大学;2010年
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【二级引证文献】
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2 张伟;质子交换膜燃料电池测控系统开发及电池性能研究[D];重庆理工大学;2018年
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4 张洁;光伏燃料电池系统的研究与实现[D];太原科技大学;2017年
5 李清;燃料电池发电系统中功率变换器的研究[D];西华大学;2016年
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9 蒋晨;基于虚拟同步发电机的质子交换膜燃料电池发电技术研究[D];电子科技大学;2016年
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【二级参考文献】
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【相似文献】
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5 记者 冯海波;解决燃料电池高成本问题[N];广东科技报;2009年
6 北京化工大学炭纤维及复合材料研究所 张学军;未来谁给我们供电?[N];计算机世界;2004年
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8 姜虹;燃料电池为绿色奥运提供清洁能源[N];中国化工报;2002年
9 中国青年报·中青在线记者 胡春艳 通讯员 刘晓艳;科学家正努力给燃料电池建“高速公路”[N];中国青年报;2019年
10 记者 李陈续 通讯员 杨保国;燃料电池性能改善有了新思路[N];光明日报;2015年
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1 华周发;质子交换膜燃料电池动态响应研究[D];武汉理工大学;2010年
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6 陈士忠;质子交换膜燃料电池水管理的实验与模拟[D];大连理工大学;2010年
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10 李超;质子交换膜燃料电池两相流传递特性研究及数值模拟[D];重庆理工大学;2016年
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