空冷自增湿PEMFC电源系统关键技术研究

燃料电池凭借其高效率和绿色环保的优势成为新能源的重要组成部分,其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)以其比功率高、能量转换效率高、启动迅速和环境友好等一系列优点,在众多领域有着广阔的应用前景。近几年发展的以空冷技术与自增湿技术结合的空冷自增湿式PEMFC,电池阴极采用与空气贯通的开放式结构设计,无外部水循环系统和空压机系统。此类PEMFC发电系统结构极其简单,但同时也带来环境适应性差、电池的水热管理高度耦合和控制参数少的问题。因此,研究环境条件对空冷自增湿PEMFC的影响,并且从PEMFC电源系统的角度研究燃料电池在不同运行阶段的控制策略,对于提高其工作性能、延长其工作寿命和加速其商业化进程有着重要意义。 本文以Ballard公司FCgen(?)1020ACS系列中的1kW空冷自增湿型PEMFC为研究对象,通过实验研究环境温湿度对PEMFC最佳工作温度的影响,确定了燃料电池最佳工作温度与环境温湿度以及输出电流之间的关系。并利用自主设计的燃料电池控制系统,采用PID控制方法实现空冷型PEMFC最佳工作温度控制,确保燃料电池在不同环境下的整个运行过程中都处于一种最佳工作状态。 针对PEMFC电源系统在启动停机过程中燃料电池阳极侧出现的氢-氧界面所造成的催化剂碳载体腐蚀,本文研究了直接启动、启动时氢气吹扫阳极和启动时切入启动负载对PEMFC的影响,在此基础上设计了PEMFC电源系统的启动策略。并且通过实验研究不同运行电流下直接停机和停机时进行阳极排气、切入停机辅助负载以及停机进行堆温控制等措施对停机后PEMFC输出特性的影响,设计了PEMFC电源系统的停机策略。 在前述空冷自增湿型PEMFC环境适应性研究和启停机策略研究的基础上,本文基于西门子S7-1200系列PLC和LabVIEW监控软件平台,设计了适用于空冷自增湿型PEMFC的测试系统。该系统充分考虑空冷型PEMFC对时序和控制操作的敏感性要求,可较好地实现燃料电池在不同环境下的最佳工作温度控制、启动停机控制和阳极排气控制,同时系统可根据实际运行状态在线调整运行参数。此外,耦合合金储氢系统,设计了一款kW级的空冷自增湿型PEMFC电源系统。该系统利用从燃料电池阴极出口流出的热空气为金属储氢器加热,一定程度上实现了PEMFC电源系统的耦合热管理,为后续电源系统耦合热管理方法的研究奠定了基础。