摘 要

燃料电池是一种将化学能转换成电能的发电装置。与内燃机汽车相比，燃料电池汽车拥有着能量转化效率高、对环境友好等优点。在车用燃料电池实际工作中，闭口系燃料电池由于阳极闭口，大大提高了反应气体利用率，并且简化了燃料电池工作系统，但在闭口系燃料电池运行过程中，由于产生水分、杂质气体增多等因素导致气体分压下降，电池性能会逐渐降低，所以定期排放积累在阳极的水分及其他杂质气体是闭口系燃料电池的关键技术之一。

车用燃料电池受电池工作温度、反应气体压力和空气湿度等因素的影响，并且在不同的工况下燃料电池性能也不相同，所以研究各工况下不同因素对燃料电池的影响，是提高电池性能进而提高车辆性能的关键。本论文主要进行车用闭口系燃料电池响应特性研究，设计各工况下压力、温度、湿度对燃料电池性能影响实验方案，根据实验所得数据，考察不同循环工况下各因素对燃料电池性能以及闭口响应特性及其运行周期的影响。本文设计了部分工况和额定工况两种不同的车用工况并进行试验研究，考察不同操作条件（工作温度、阳极气体工作压力以及阴极相对湿度）对闭口系燃料电池不同工况响应特性的影响。电池工作温度取60℃和80℃，阳极氢气压力取0.5bar和1bar，空气湿度取60%和100%。

最后通过比较不同操作条件下的电池电压和运行周期等数据，得出：在电池运行周期前期电池电压下降较慢，在运行周期后期电池下降速率加快；部分工况下的电池性能、运行特性和运行周期由于额定工况下的；电池工作温度为60℃时电池性能、运行特性和运行周期优于80℃时；阳极氢气压力为1bar时的电池性能、运行特性和运行周期优于0.5bar时：空气湿度为60%时的电池性能、运行特性和运行周期优于100%。得出结论：在电池工作温度较低、反应气体压力较高、阴极相对湿度较低时更适合闭口系燃料电池的运行。

关键词：质子交换膜燃料电池；闭口；工况；操作条件

Abstract

A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy into electrical energy. Compared with the internal combustion engine, the fuel cell vehicle has the advantages of high energy conversion efficiency and friendly environment. In the practical work of vehicle fuel cell, the closed-system fuel cell has greatly improved the utilization rate of the reaction gas and simplified the working system of the fuel cell, but in the process of shutting down the fuel cell, the gas partial pressure drops due to the increasing of water and impurity gas, and the performance of the battery will decrease gradually. Therefore, it is one of the key technologies for closed-system fuel cell to periodically discharge the moisture and other impurities accumulated in the anode.

The vehicle fuel cell is affected by the operating temperature of the battery, the pressure of the reaction gas and the humidity of the air, and the performance of the fuel cell is not the same under different working conditions, so the research on the influence of different factors on the fuel cell is the key to improve the performance of the battery. This paper mainly carries on the research of the automobile closed-line fuel cell's response characteristic, designs the pressure, the temperature, the humidity to the fuel cell performance influence experiment plan under each working condition, according to the experiment data, investigates each factor to the fuel cell performance as well as the closed response characteristic and the operation period influence. In this paper, the effects of different operating conditions (working temperature, working pressure of anode gas and cathode relative humidity) on the response characteristics of closed-system fuel cell are studied by the design of two kinds of conditions of operation and the condition of the rated working condition. The operating temperature of the battery takes 60 ℃ and 80 ℃, the anode hydrogen pressure is 0.5bar and 1bar, and the air humidity is 60% and 100%.

Finally, by comparing the battery voltage and operation cycle under different operating conditions, it is concluded that the battery voltage decreases slowly in the prophase of battery running cycle, and the rate of battery drop accelerates in the later period of operation cycle; the battery performance, operating characteristics and operating period under the condition of the rated operating conditions, the battery performance, the operating temperature is 60 ℃, The operating characteristics and running period are better than 80 ℃, when the anode hydrogen pressure is 1bar, the battery performance, operation characteristic and running period is better than 0.5bar: the performance, operation characteristic and running period of the battery with 60% humidity are better than 100%. It is concluded that the operating temperature of the battery is lower, the gas pressure is higher, and the relative humidity of cathode is lower, it is more suitable for closed fuel cell operation.

Keywords: Proton exchange membrane fuel cell; Dead end anode; Driving cycle; Operating condition

目录

第 1 章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究背景 2

1.2.1 燃料电池综述 2

1.2.2 质子交换膜燃料电池 4

1.2.3 闭口系燃料电池 6

1.2.4 闭口系燃料电池的脉冲排放 9

1.3 本文研究内容 10

第 2 章 实验方案设计 12

2.1 实验工作原理 12

2.2 各工况所选参数及选取标准 13

2.2.1工况参数确定 13

2.2.2燃料电池操作条件参数确定 13

2.3 燃料电池选择及实验设备 14

2.3.1 燃料电池测试工作站简介 14

2.3.2 实验电池选择 15

2.4 实验方案 16

第 3 章 额定工况下闭口系燃料电池响应特性影响分析 17

3.1 实验操作 17

3.2 温度对闭口系燃料电池响应特性影响 17

3.3 压力对闭口系燃料电池响应特性影响 18

3.4 湿度对闭口系燃料电池响应特性影响 19

第 4 章 部分工况下闭口系燃料电池响应特性影响分析 21

4.1 实验操作 21

4.2 温度对闭口系燃料电池响应特性的影响 21

4.3 压力对闭口系燃料电池响应特性的影响 22

4.4 湿度对闭口系燃料电池响应特性的影响 22

4.5 额定工况与部分工况下闭口系燃料电池响应特性的比较 23

第 5 章 结论与展望 24

5.1结论 24

5.2研究展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第 1 章 绪论

1.1 引言

世界经济的发展，其根本在于对化石燃料的大量使用，因而它是以化石能源为基础一种经济。然而，作为经济的发展资本，化石能源却在21世纪上半叶迅速地接近枯竭^[1]。化石资源的蕴藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度也越来越大，到一定限度，开采时的投入会远远大于所收获的价值，即失去继续开采的价值。持续大量的使用化石燃料，给生态环境带来不可估量的影响，如温室效应、土地沙漠化、臭氧层破坏和酸雨等等，为了保护我们共同生活的环境，目前世界各国已达成共协，将节约能源和环境保护作为经济发展的要求，积极寻求并发展替代能源来保证社会经济的可持续发展。以化石燃料为主的能源系统已经不符合未来社会对能源体系的要求，而能源的发展对人类社会未来的发展有举足轻重的意义。因此，寻求高效、清洁和可持续发展的新型能源已经是各国必须面对和重视的问题。新能源和可再生能源的开发利用可以逐步改善化石燃料为基础的能源结构，促进更合理有效地利用传统能源资源，缓解化石燃料污染相关的问题，使我们的能源，经济与环境协调发展，实现可持续发展目标，发展新型能源和可再生能源也可以有效的解决边疆等地区的能源使用等问题。其中目前可替代的新型能源有太阳能、氢能、生物质能、风能、地热能、潮汐能以及核能等^[2]。部分可再生能源利用技术已经有了很大的突破，在世界范围内已经得到了极大地推广利用。比较了各种替代能源之后，人们普遍认为，在未来的新能源体系中，太阳能会在未来作为最重要的一次能源来替代传统能源系统（煤、石油和天然气），而二次能源中氢能将占据最主要的地位。众所周知，氢能是一种对环境没有任何污染的能源，因为它的燃烧产物只有水。而其他传统燃料的燃烧产物包含一些污染物，如：一氧化碳CO，硫化物，NO_X 等，这些燃烧之后的产物不经过合理的处理都会对环境产生严重的污染，不符合可持续发展的策略。氢能是氢的化学能，氢能不但无污染，它还有一个优点就是热值高，比起传统化石燃料有过之而无不及，并且燃烧稳定性好，能比较完全的燃烧，燃烧效率很高。还有一点，氢在地球上主要以化合态的形式出现，在世界上存储量极大，每年可回收的工业废氢就达1亿立方米，作为二次能源，也不会出现与传统化石燃料一样的缺乏现象，氢由于其理化性质，可以以气态、液态以及固态金属化合物的形式出现，故而贮藏和运输等都很方便，可以满足各种环境下的工作要求。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、水煤气转化法、烃类裂解法和烃类蒸气转化法等。氢气可以直接通过电解水制取，而水是地球上最为丰富的资源。因此氢能的开发利用受到各个国家的青睐。燃料电池是氢能利用和研发过程中最重要的项目之一。燃料电池是不需要经过燃烧过程就可以直接将燃料和氧化剂中的化学能转换为电能的一种清洁能源装置^[3]。燃料电池是当今公认的环境友好型能源，与传统能源相比具有能量转化效率高，无污染，低噪声等优点。与传统能源相比由于无燃烧活动，所以燃料电池在能量转换的过程中不受卡诺循环的限制^[4]，这使得燃料电池能量转化效率高达 40～60%^[5]，除此之外，燃料电池还具有燃料多样化、噪音低、排气较清洁、对环境污染小、维修性好以及可靠性高等优点。

1.2 课题研究背景

1.2.1 燃料电池综述

燃料电池的电能来源于电池内部反应物的化学能，但其不需要经过燃烧反应。在燃料电池的工作过程中氢气和空气分别不断的通入各自的气体通道，在燃料电池的内部发生化学反应从而产生电能。根据电解质的不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池 （AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池 （MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）5种，其中碱性燃料电池（AFC）主要应用在航空领域，为飞行器提供动力输出，航天飞行员也可以直接饮用电池反应产生的水；质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其应用领域广泛，所以在燃料电池研究领域具有极其重要的位置，主要为交通车辆和小型设备供电；磷酸燃料电池（PAFC）由于其性质特殊，一般无法与二氧化碳发生反应，主要应用于发电等；熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）技术研究还没有较大的突破，目前使用范围还不广，但高温燃料电池能够实现热电联供，未来有相当大的前景；固态氧化物燃料电池（SOFC）目前其技术仍不成熟，只在清洁发电站中固态氧化物燃料电池会作为首选材料。

燃料电池的发展史：Schonbein 于1838年发现了燃料电池原理，人类开始了对燃料电池研究。在1839 年科学家 Grove对燃料电池的原理性给出了解释并发明了燃料电池。1959年 Bacon 成功开发出可以工作的 6kW 碱性燃料电池，而在 1965 年碱性燃料电池就在航天领域获得了一席之地，在阿波罗太空任务中，Pamp;W 公司将碱性燃料电池作为辅助电源应用于航空飞船上，从此人们开始了对燃料电池的多方向的应用，除了宇宙飞船上的应用，燃料电池也一样在航天飞机上得到了应用^[6]。我国在1975 年首次实现将碱性燃料电池系统应用在航天事业上^[7]。这些都意味着 AFC 在航空工作的应用走出了第一步。在 2002 年燃料电池应用于水下工作，于不久后出现大量应用燃料电池的潜艇在水下进行良好工作。意大利在潜艇方面做出了研究，于 2009 年对 FC-AIP 潜艇改进完毕并进行了制造，在 2010 年已经开始了使用^[6]。在化石燃料匮乏、环境破坏的愈发加重、CO₂ 的超标排放的现状下，燃料电池电动汽车受到所有汽车公司的青睐。1993 年，在加拿大巴拉德公司推出了质子交换膜燃料电池电动汽车，这也是 PEMFC 电动汽车的第一次出现在世人的面前。在这之后，对于开发 PEMFC 燃料电池电动汽车得到了整个汽车行业的高度重视，相应的概念车也陆续得到了成功的研发。1995 年我国首辆 FCV 出产，并得到了广泛的关注。在 2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会上，其优异的表现向全世界展示了我国在燃料电池电动汽车的成就。燃料电池应用范围广泛，除了在以上的应用领域外同样在分散式电站，充电桩，动力源等多领域上发挥着重要的作用。

表1.1 部分不同燃料电池的工作性能

（a）固体氧化物燃料电池 （b）碱性燃料电池

（c）磷酸燃料电池 （d）熔融碳酸盐燃料电池

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