水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统研究

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)因其具有低噪音、零污染、长寿命、输出电流大、工作温度低、能量效率高、启动快等优点而逐渐受到人们的关注。然而燃料电池的输出性能受到了许多因素的影响,其中温度对整个系统的影响尤其重要。一个合理的热管理系统能提高电池性能、改善电池寿命,反之,不当的热管理则会造成PEMFC的输出性能降低、影响PEMFC的寿命,甚至引起实验安全事故。因此,对水冷型质子交换膜燃料电池的热管理系统进行研究有着重要的意义。本文从燃料电池的温度特性、温度仿真模型、控制方法以及整个系统为出发点,分析了水冷型质子交换膜燃料电池系统在国内外的研究现状,并基于燃料电池的工作原理和实验数据建立了水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统模型,并通过实验验证所建的模型具有较好的其稳态和动态特性。其次,基于水冷型燃料电池热管理技术要求,对电池热管理系统进行结构和控制策略上的设计,针对传统的结构和控制策略的不足提出一种新的结构和基于气体压力的控制策略,并利用仿真和实验分析解决了传统上温度波动、系统耦合等缺点。最后,基于数据采集卡和LabVIEW平台设计并搭建整个水冷型PEMFC系统测试平台,其主要由氢气供应系统、氧气供应系统、热管理系统、单片采集系统、阳极背压系统等其他子系统组成,能根据操作要求设置整个系统的操作参数,同时提供良好的监控界面用以临测质子交换膜燃料电池系统的工作状态,调整各种运行参数,处理出现的不同紧急情况。并将燃料电池机车的实际工况在测试平台上进行模拟,分析整个运行状态,为研究燃料电池机车系统提供依据。