质子交换膜燃料电池关键技术研究

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是一种新型的电化学发电装置,打破了传统的发电模式,以燃料和氧化剂通过电解质进行电化学反应的方式,直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效且环保地转化为电能。质子交换膜燃料电池由于具有运行温度低、功率密度高、响应速度快、稳定性好等优点,在分布式电站、便携式移动电源、新能源车辆等领域具有非常广阔的应用前景。本文主要针对空冷型PEMFC研究了阴、阳极反应气体相对湿度对PEMFC性能影响的差异性、燃料电池与金属储氢器的热耦合管理以及燃料电池停机控制策略等内容。主要研究成果如下：(1)阴、阳极气体相对湿度影响燃料电池内部水的传输和质子交换膜的质子传导率,合适的阴、阳极气体湿度有利于改善和提高燃料电池的性能。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了阴、阳极气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性,为寻找最佳的阴、阳极反应气体湿度奠定了基础。(2)基于空冷型PEMFC测试系统开展了燃料电池与金属储氢器的热耦合管理研究,通过将金属储氢器分别前置和后置这两种与燃料电池不同的热耦合方式,验证了一种新型的燃料电池与金属储氢器的热耦合管理系统结构,该耦合系统结构考虑了外部环境温度对燃料电池系统的影响,可以根据环境温度的高低选择合适的热耦合管理系统结构,从而使燃料电池系统始终处于高效率运行状态。(3)针对PEMFC电堆停机过程中使用恒定辅助负载时,由于残余气体消耗不均匀容易引起单电池反极化现象的发生,提出了计及电压均衡的两种不同的PEMFC电堆停机策略。该方法通过采用对电堆中各个单体电池独立进行放电和采用非线性放电负载对燃料电池放电等停机控制策略,在显著缩短单体电池处于高电位时间的同时,很好的避免了停机过程中残余气体消耗不均匀的现象,有效的杜绝了电堆停机过程中单电池反极化现象的发生,也提高了单体电池电压均衡性。