质子交换膜燃料电池电堆一致性及动态参数研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC,proton exchange membrane fuel cell),作为一种新型清洁能源,突破了卡诺循环限制,将化学能直接转化成电能,具有工作温度低、功率密度高和启动快速等优点,备受世人关注,同时燃料电池作为动力源使用,必须要满足其电堆一致性以及多工况动态参数符合条件使用。本文旨在对PEMFC电堆一致性及多工况参数进行研究,针对燃料电池实际工作过程中出现的各种参数变化现象,提出了基于参数动态变化的动态参数模型(DP Model,dynamic parameter model)。DP模型考虑了在燃料电池工作过程中出现的水含量,温度以及相对湿度变化,通过自定义函数将参数公式化,用于燃料电池仿真计算。基于等效电路,对燃料电池系统进行等效建模;考虑到燃料电池参数影响,利用Fluent和Gambit进行PEMFC三维两相流模型建立,进行非正则网格划分、材料设置并进行仿真计算,设置收敛条件,通过独立变量联立的耦合求解得出PEMFC仿真数据和可视化云图,云图包括:膜内水含量、流道内气体浓度分布和相对湿度分布等。搭建燃料电池测试平台,采用伏安循环法和田口交叉试验法对已有有效面积为275cm~2 PEMFC单电池和10片单电池组成的电堆进行测试,测试系统采用电脑PC端设置参数并通过负反馈调节稳定参数,不同参数试验情况分别为:不同的进气温度(43℃、50℃、55℃)、不同工作温度(60℃、65℃、70℃)、对称和非对称加湿(0~100%RH),试验过程中记录电堆整体和单片电池性能,并采集试验数据与仿真结果进行对比分析。结果表明:1)电堆一致性在电压方面体现为,从电堆气体进口开始,单片电池电压逐渐递减,单电池FC10电压衰减最快,在相同的试验条件下其性能最差。电堆受温度和相对湿度影响较大,湿度增加电压降减小;温度升高导致电压降增大,但是单片一致性改善。2)随着进气温度和相对湿度的增加,温度的动态范围和稳定时间逐渐减小。当进口相对湿度较高时,初始反应温度较低。在整体变化趋势上,当进气温度低于工作温度时,燃料电池性能随着进气温度逐渐增加,但是由于湿度较大,水淹趋势也随之增加。3)通过对不同的进气湿度工况分析得到,阴极相对湿度和阳极相对湿度对燃料电池性能的影响不同,阴极相对湿度的增加对燃料电池性能的影响比阳极相对湿度对燃料电池性能的影响更明显。