PEMFC发电系统散热器设计及系统运行研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)因其具有能量效率高、低噪音、零污染、设计操作简单、低温启动、安全稳定等诸多优点而成为新能源技术领域的研究热点之一。质子交换膜燃料电池的水热管理问题对于电池的运行性能有着至关重要的影响,不当的水热管理会使电池的输出功率很低、效率很差,甚至会影响燃料电池的运行寿命和安全,因此与质子交换膜燃料电池系统相关的散热器设计对于稳定发挥燃料电池的性能有着重要的意义。本文对燃料电池的发展历史、国内外燃料电池商业化研发和应用现状和发展趋势进行了比较清晰的阐述。通过对燃料电池基本知识的介绍,阐述了燃料电池的工作原理、种类和特性。本文研究了质子交换膜燃料电池电化学反应的基础理论,包括PEMFC的工作原理、组成结构、性能影响因素等问题,从而有利于深入理解燃料电池电极反应过程,计算电化学反应的能量转化效率、产生的热量等。燃料电池将氢和氧的化学能通过电极反应直接转化成电能,其电化学反应将生成热和水。燃料电池热管理,主要是对电池内部流体流动和传热进行控制,保持电池的热平衡和水平衡。本文对PEMFC电堆的主要冷却方式进行了分析,并对电堆的冷却液进行比较和选择;本文通过对电堆的热平衡的研究,计算了电堆工作时产生的热量和散发的热量。为了保证燃料电池电堆稳定地工作,必须对其工作温度进行有效的控制。因此本章通过对PEMFC发电系统散热要求的分析,对该5kW级燃料电池发电系统散热器进行了材料选型和结构设计,并同过计算对散热器的设计进行了验证。并通过进一步的计算确定了风扇的选择和主要的控制策略,保证PEMFC发电系统工作时的电堆温度在合适的范围。本文介绍了5kW级燃料电池发电系统空气供应子系统、氢气供应子系统、冷却水子系统以及控制系统的设计,对发电系统进行了测试,并对测试结果进行分析总结,展望了进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 燃料电池概述
• 1.2.1 燃料电池工作原理
• 1.2.2 燃料电池分类
• 1.2.3 燃料电池的主要优点
• 1.3 质子交换膜燃料电池基本原理
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池的概念
• 1.3.2 PEMFC 的工作方式
• 1.3.3 质子交换膜燃料电池系统
• 1.3.4 质子交换膜燃料电池的优越性以及缺点
• 1.3.5 PEMFC 性能的影响因素
• 1.3.6 质子交换膜燃料电池的水热管理
• 1.4 质子交换膜燃料电池系统的国内外研究现状
• 1.5 研究意义及内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 质子交换膜燃料电池系统的热平衡
• 2.1 质子交换膜燃料电池系统热管理分析
• 2.1.1 保持PEMFC 内部热平衡的必要性
• 2.1.2 PEMFC 热管理系统的功能及目标
• 2.1.3 PEMFC 热管理的要求
• 2.2 PEMFC 电堆冷却方式
• 2.2.1 冷却液循环排热
• 2.2.2 空气冷却
• 2.2.3 液体蒸发冷却
• 2.3 冷却方式及冷却液的选取
• 2.3.1 冷却方式的选取
• 2.3.2 冷却液的选取
• 2.4 质子交换膜燃料电池系统的热平衡研究
• 2.4.1 电堆工作时产生的热量
• 2.4.2 电堆内散发走的热量
• 2.4.3 电堆的热平衡
• 2.5 本章小结
• 第三章 散热器选材和设计
• 3.1 散热器的工作要求
• 3.2 散热器的主要结构形式
• 3.3 散热器的选型
• 3.4 散热器设计计算
• 3.4.1 水侧传热初算
• 3.4.2 空气侧传热初算
• 3.4.3 计算传热系数（肋侧）
• 3.4.4 计算肋侧散热量
• 3.5 散热风扇选型
• 3.6 系统冷却效果实测
• 3.7 余热利用探讨
• 3.8 本章小结
• 第四章 质子交换膜燃料电池整体发电性能测试
• 4.1 质子交换膜燃料电池发电系统的设计
• 4.1.1 空气供应子系统
• 4.1.2 氢气供应子系统
• 4.1.3 冷却水子系统
• 4.2 质子交换膜燃料电池堆的设计
• 4.2.1 单电池的制备
• 4.2.2 双极板的设计
• 4.2.3 电堆设计小结
• 4.3 系统发电性能测试
• 4.3.1 性能测试
• 4.3.2 系统附件的功耗
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文目录