燃料电池输出特性建模与实验分析

能源紧缺与环境污染已成为人类社会亟待解决的两大议题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)及钒液流电池以能量转换效率高、对环境友好等特点成为目前燃料电池领域备受青睐的两类产品。但这两类燃料电池也存在非线性、强耦合性及大滞后性等特点,对其大规模商业化造成了较大的阻碍,故十分有必要针对这两类燃料电池的输出特性开展深入研究,以期提高电池的性能,从而推动其商业化进程,使之能够更好地助力人类社会发展。本文首先介绍了PEMFC的结构及工作特点,依据电化学热力学和电极过程动力学原理对PEMFC的输出特性展开了分析,从水-热平衡管理的角度对PEMFC输出性能的重要影响加以讨论,并分析了钒液流电池的工作原理和特点。对这两类燃料电池进行建模与仿真分析,有利于后续对其输出特性进行深入分析和控制策略优化。本文以PEMFC的机理模型为基础,建立了包含电压输出模型、热力学模型以及气体分压模型的PEMFC单电池动态模型,并基于Matlab/Simulink平台进行了负载阶跃变化情况下的动态特性仿真。依据钒液流电池的开路电压模型、欧姆内阻模型与极化过电势模型搭建了基于Matlab/Simulink平台的钒液流单电池模型,进行了不同电解液流速下的稳态特性仿真。针对目前钒液流电池系统中用于驱动电解液流动的泵能耗过高的缺点,本文提出对钒液流电池进行脉动供液的控制策略,于不同脉动周期、流速下对钒液流电池进行恒流充放电实验。通过对充放电曲线、泵的能耗、单电池能量效率与预估系统效率的分析,证明了该控制策略能在一定程度上提高电池系统层面的效率。本文采用实验室自主开发的阴极开放式强制对流型PEMFC,通过SolidWorks软件设计并3D打印了PEMFC的多流向空气散热系统,在不同侧面开口宽度及不同风扇工作电压下开展了多方向空气流动对电池性能影响的实验研究。通过对实验结果的分析,证实了该散热系统能够显著提高流过电池的空气流速分布的均匀性,并且能够一定程度上提高电池的输出功率。在结尾处对本文的工作做出了总结,指出了考虑不周之处,并针对本论文研究中还需改进和深入的地方,对今后工作进行了展望。