质子交换膜燃料电池测试平台搭建与性能优化
随着社会工业化的脚步不断前进，而工业化的发展离不开电能的供给。商业楼宇用电，也是能源消耗主体中重要的一环。目前，商业楼宇用电采用的主要还是集中式供给，而集中式供电会造成了大量的能源损耗，并且能源利用率较低。而合理地利用氢燃料电池建立分布式发电电站则可以有效提高能源的利用率。因此，燃料电池作为一种新型的动力源，是清洁能源供给的新趋势，具有可观的市场前景。 目前国内对多电堆并联供气升载的实验还很少，为弥补该领域的空白，本论文通过对燃料电池测试平台系统的搭建以各个设备的连接，对三台额定功率为10kW的质子交换膜燃料电池进行了性能测试。同时，用Solidworks软件对多电堆并联进气管道模型进行了优化设计，并用ANSYSFluent软件对简化后的二维模型进行了气流道模拟分析。最后根据ANSYSFluent软件模拟出来的流量，用COMSOL软件对燃料电池中的单流道进行了建模与仿真模拟，验证了这种多电堆并联供气流道模型的正确性。 本文运用了控制变量参数的实验方法，对影响燃料电池发电性能的参数逐一进行了测试。影响参数包括电流阶跃信号、氢气的流量、空气的流量、化学计量比与工作温度。通过实验得出了结论，设置阶跃信号升载时，电流信号改变幅值不宜过大，否则损害燃料电池，40A的电流阶跃信号幅值较为合适;氢气与空气流量测试时结果较为类似，在气体流量较低时，改变流量大小对燃料电池的发电性能影响很大，而当气体流量增加至一定值时，发电性能逐渐趋于饱和;改变空气化学计量比，发现增加空气化学计量比，燃料电池两端输出功率在增加，本实验最佳的空气化学计量比为1.8;本实验中PEMFC最佳的工作温度在60℃。 在进行多电堆并联供气升载时，发现由于供气管道设计的不合理导致三电堆并联供气时发电效率相较于单电堆升载时的发电效率要低。针对此问题本论文对三电堆并联供气管道模型进行了优化设计。并通过ANSYSFluent软件模拟得出优化后的模型可以较为均匀地分配气量，三个出口流速分别是2.734m/s、2.790m/s和2.700m/s。并根据模拟得出地平均流速在COMSOL软件中对单流道进行仿真验证，得出了单流道的电流密度为977.98mA/cm2，换算成功率为9687.5W，与实验测得的单电堆升载功率结果拟合较好，验证了优化模型的可靠性。
质子交换膜燃料电池;测试平台;性能测试;单流道仿真
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
周俊波
2021
中文
TM911.4
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）