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基于动力学影响因素的质子交换膜燃料电池性能研究
| 论文题名： | 基于动力学影响因素的质子交换膜燃料电池性能研究 |
| 关键词： | 质子交换膜燃料电池;动力学;性能优化;使用寿命;汽车动力 |
| 摘要： | 质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其直接将燃料的化学能转化为电能，因而其能量转化效率很高，对环境的污染几乎为零。近年来，随着化石能源危机及其所产生的环境污染日益严重，人们对于能替代化石燃料的可再生能源需求愈发强烈。因为燃料电池干净清洁且能量转换效率高的特点，这种新型能源转化装置得到了世界上科学家普遍的重视，同时也是未来汽车动力最有竞争力的发展方向。作为车用燃料电池，质子交换膜燃料电池要能够适应多变的操作环境和条件，比如不同的气体湿度、气体温度和压力。而本文则研究了动力学参数对PEMFC性能的影响规律。 研究了阴极Pt载量和背压对PEMFC性能的协同影响规律。本文结合静态模型计算和实验测试，从活化过电势、欧姆损失和浓差过电势三个方面量化分析了阴极Pt载量和背压协同对PEMFC性能的影响规律。考察了阴极 Pt载量分别为0.1 mgPt.cm-2，0.2 mgPt.cm-2，0.4 mgPt.cm-2，且分别在背压为100kPaabs，150kPaabs，200 kPaabs条件下的燃料电池性能。通过比较发现，在上述任意Pt载量和背压条件组合下，随着电流密度增大，活化过电势、欧姆损失和浓差过电势逐渐加大，直接影响燃料电池性能；但在相同背压条件下，随着电流密度增加，低Pt载量时的浓差过电势比高Pt载量时增加的更快；同时发现，背压增加对提高燃料电池的性能有帮助，但背压增加对低Pt载量比对高Pt载量效果更明显。因此对于低Pt燃料电池，应适当提高运行背压以进一步优化其性能。本文对上述实验结果的产生机理进行了探讨，并期望该结果能给低 Pt/超低 Pt燃料电池的设计及性能优化提供参考与借鉴。 研究了温度和相对湿度（RH）对PEMFC性能的影响规律。通过欧姆阻抗（HFR）和阻抗谱方法考察了温度、相对湿度（RH）对PEMFC性能影响的规律，其中研究了温度范围为40℃~85℃间燃料电池的性能。通过比较实验结果发现实验中所用的PEMFC的最佳运行温度为80℃，温度的改善不仅能够降低电化学极化，同时也能够降低浓差极化，从而有利于燃料电池性能的提高。 分别探讨了阳极相对湿度和阴极相对湿度对PEMFC性能的影响，相对湿度考察范围为0％~100%。当低湿度低电流密度时，质子交换膜的质子传导率较低，欧姆阻抗较大；当电流密度较高时，湿度降低，增大了氧气在 Nafion层中向 Pt表面的扩散，从而增大了传质阻力；PEMFC的性能对阴极相对湿度变化更加敏感。选取合适的阴极相对湿度（RH），不仅能够提高PEMFC的性能，还能够延长其使用寿命，弱化质子膜的寿命衰减。 |
| 作者： | 孟优权 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 章俊良 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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