PEMFC堆电效率与PEMFC-温差热机电热联供的实验研究

【摘要】： 质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC)以其能量转化效率高、对环境污染小、噪音低、启动速度快、能在室温附近工作等诸多优点被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。然而,在实际应用中,质子交换膜燃料电池的燃料综合利用率并不高,其主要原因为质子交换膜燃料电池输出电效率受到各种操作条件的影响,降低了电池堆的电效率,同时质子交换膜燃料电池在发电的过程中产生热,这部分余热占总能量的40%~60%,但由于余热的品位低,利用困难,因而降低了燃料的利用率。为此,本文以提高燃料综合利用率为目的,对质子交换膜燃料电池堆电效率及PEMFC-温差热机电热联供进行了实验研究。 本论文以额定功率100W的质子交换膜燃料电池堆为实验对象,研究了在不同负载下,温度、压力和湿度等工作参数对电池堆电效率的影响机理;采用正交实验方法,分析了工作参数对电池堆电效率的影响程度和最优操作条件,结果表明:温度、压力、湿度及温度与湿度间存在耦合作用对电池堆电效率影响高度显著,且温度的影响效果大于其它因素,电池堆获得最高输出电效率的最优操作条件为实验工作参数范围的上限,即温度60℃、压力0.3MPa、湿度100%。结合温差热机和质子交换膜燃料电池的特点,提出了利用质子交换膜燃料电池的余热驱动温差热机的设想;对换热器及PEMFC电池堆的功率进行了匹配设计,实验研究了PEMFC-温差热机电热联供可行性与效果,实验结果表明,质子交换膜燃料电池堆的余热能够满足温差热机的工作要求,可以通过PEMFC-温差热机电热联供输出电能和机械能。通过电热联供,可以将系统的综合效率提高到58.5%。