燃料电池技术论文提纲

质子交换膜燃料电池具有转换效率高、排放物无污染等优点,在能源和交通领域有着非常广阔的应用前景。燃料电池堆的性能受其内部含水量影响显著,不良操作条件引起的水淹和膜干故障会导致电堆性能下降、寿命急剧衰减,给燃料电池的大规模应用与推广带来很大挑战。燃料电池水管理是对电堆在运行过程中的含水量进行辨识与调控的技术,对燃料电池稳定性和耐久性的提升意义重大。本文针对基于交流阻抗的燃料电池在线闭环水管理技术展开研究,主要工作内容如下:首先,开发了燃料电池在线交流阻抗测量模块。基于对燃料电池工作原理与电池中水传输的探究,对水管理系统进行需求分析。面向在线水管理需求,针对交流阻抗测量模块进行软硬件设计。经实验验证,所设计阻抗测量模块的阻抗幅值和相位测量误差率均在±5%以内,拥有较高的测量精度。其次,探究了基于单频点阻抗相角的燃料电池含水量在线辨识方法。通过对比分析燃料电池在不同含水状态下的交流阻抗谱,发现中频段阻抗相角对燃料电池水淹膜干状态辨识效果显著,并利用等效电路证明了阻抗相角与电堆湿度呈正相关的特性,佐证了阻抗相角作为含水量辨识指标的有效性与普适性。创新性地提出了基于单频点阻抗相角的燃料电池含水量辨识方法,通过实验验证了该方法对电堆膜干水淹状态具有提前预判的能力与良好辨识效果,且辨识所需时间在0.5 s以内,保证了水管理系统的实时性。最后,开展了燃料电池含水量闭环调控策略及故障恢复策略的研究。选取空气流量与电堆温度作为调节燃料电池含水量的操作条件,采用基于单频点阻抗相角的含水量辨识技术,分析评估了操作条件对含水量的调控特性。在此基础上,提出了操作条件分优先级的含水量闭环调控策略和故障恢复策略。经实验验证,所设计水管理系统能够在恒定负载和变载的工况下始终将电堆含水量调控于正常区间内;能够在节电压尚未出现异常时便预判到电堆的水淹膜干故障,并在30 s内将其从故障状态恢复,对燃料电池寿命的提升有重要意义。