摘 要

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂的化学能不经过燃烧直接转换为电能的发电装置，燃料电池作为一种清洁能源，具有能量转化高，环境友好，噪声低等优点。其中发展规模最大的一个方向就是质子交换膜燃料电池PEMFC，具备无污染、高效率、低温启动、低噪声、可快速补充能量等特性，被公认为是今后电动汽车上最理想的驱动能源。其反应过程不涉及燃烧和热机做功，能量转换效率不受卡诺循环的限制，能量转换效率能达到60%-70%，实际使用效率是普通内燃机的两倍左右。

质子交换膜的动态响应是指电池的输出电流及内部组分分布响应电池负载的变化。因为在实际的运行情况里面，质子交换膜的电池的负载是动态变化的，例如质子交换膜应用最多的领域汽车，汽车的运行总是出在不断的启动、加速、额定功率运行和过载运行等工况^[3]，因此对于质子交换膜燃料电池要求其有快速的响应时间和稳定的工作状况，即良好的动态响应特性^[2]。燃料电池的动态响应特性与电池自身的性能是息息相关的，两者相互影响，最终决定着电池的使用寿命。

目前对于质子交换膜的研究有数值模拟和实验研究两种方式。本文以实验研究的方式，以活性面积为50cm²的质子交换膜燃料电池为研究对象，测试不同工作温度、压力、气体加湿度条件下，燃料电池动态加载时的动态响应特性，并研究动态加载对电池性能的影响。

关键词：质子交换膜；动态响应；动态加载

Abstract

Fuel cell is a high efficient and low consumptive clean energy, which converts chemical energy directly into electricity.It has the advantages of high energy conversion, environment friendly, low noise advantages. The largest development in one direction is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which has the advantages of no pollution, high efficiency, low temperature start, low noise, quick to add the energy characteristics.PEMFC is recognized as the most ideal driving energy of electric vehicles in the future . The reaction process of PEMFC does not involve the combustion and the heat engine acting,so the energy conversion efficiency is not subject to the Carnot The limit cycle.Energy conversion efficiency can reach 60%-70%.When actual use the efficiency is about twice the ordinary internal combustion engine .

Proton exchange membrane dynamic response refers to the battery output current and internal distribution in response to changes in the load cell. Because in the actual operation, the proton exchange membrane cell load is dynamic changes, such as proton exchange membrane used in the automobile field, the operation of the car is always in a constant starting, acceleration, rated power operation and overload operation condition, so in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) require a fast response time and stable working condition, namely good dynamic response characteristic. Has the good performance of the burning fuel cell dynamic response, the shorter the time, response time length also affects the performance of the battery.

At present in a proton exchange membrane research of numerical simulation and experimental research in two ways. This paper in the experimental study on the way, according to the area of activity for 50 cm² proton exchange membrane fuel cell as the research object, test different temperature, pressure, gas and humidity conditions, fuel battery dynamic loading, the dynamic response characteristics, and to study the effects of dynamic loading on the cell performance.

Key words: proton exchange membrane; dynamic response; dynamic loading

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景 2

1.2.1 燃料电池的概述 2

1.2.2质子交换膜燃料电池的原理 3

1.2.3 质子交换膜燃料电池结构 4

1.3 本文研究课题 5

1.3.1质子交换膜动态响应 5

1.3.2 操作条件对质子交换膜动态响应的影响 6

1.3.3 动态加载的响应过程对电池性能的影响 6

1.4 文献综述 7

1.4.1 燃料电池动态响应的动态模型 7

1.4.2 燃料电池动态响应的试验研究 8

1.4.3 优化动态响应 8

1.5 本章小结 9

第二章 PEMFC动态加载的响应特性实验 10

2.1 实验原理 10

2.2 实验设备 11

2.2.1 燃料电池性能测试系统 11

2.2.2 PEMFC测试系统的控制面板 12

2.3试验对象 13

图2.5 PEMFC单电池 13

2.3.1 PEMFC单电池制备过程 13

2.3.2 PEMFC单电池相关参数 14

2.4 试验方案 14

2.5 试验过程 15

2.5.1 试验准备 15

2.5.2 实验方法与实验步骤 15

2.6本章小结 17

第三章 PEMFC动态加载的动态响应分析 18

3.1 活化对电池性能的影响 18

3.1.1 实验过程记录 18

3.1.2 实验结果讨论及分析 18

3.2 压力对动态加载的影响 18

3.2.1实验数据记录 18

3.2.2 实验结果讨论及分析 21

3.3温度对动态加载的影响 22

3.3.1实验数据记录 22

3.3.2实验结果讨论及分析 24

3.4 湿度对动态加载的影响 25

3.4.1 实验数据记录 25

3.4.2 试验结果分析及讨论 27

3.5 本章小结 28

第四章 总结与展望 29

4.1 结论 29

4.2 研究展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪论

1.1 引言

21世纪的今天，能源危机和环境污染是世界各国十分关注的问题。能源的过度消耗和利用导致了严重的能源危机，而能源对于国际经济的发展有着重要作用。能源在消耗的同时，带来的环境污染问题以及全球变暖的问题也是十分严重，而环境保护是小到百姓大到世界各国都重视的问题。现如今能源需求依然是巨大，而传统化石能源匮乏，我们还面对着其燃烧带来的严重的环境污染以及温室效应等问题。因此我们不得不开始寻求解救措施，也就是寻找新的替代能源，这个能源不仅要满足传统能源所能提供的动力，还必须保证燃烧产物环保无污染。在这种需求下，氢能源的开发和利用就应运而生了，在所有的能源当中，氢气是最为环保的一种能源，其燃烧的氧化产物只有水，而石油等化石燃料在燃烧是不仅产生一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉尘等污染物，还产生温室气体二氧化碳。氢气不仅环保，它还有一个优点就是燃烧释放的能量远远高于是化石燃料。还有一点，氢气的储存量巨大，大到无法估计，不会面临像传统化石燃料的匮乏问题。综上所述氢能源是最适合替代传统能源的选择。

在氢能源的研究和利用当中最受关注也是发展最好的一项就是燃料电池。燃料电池是一种奖储存在燃料和氧化剂的化学能不经过燃烧直接转换为电能的发电装置^[4]。燃料电池作为一种清洁能源，具有能量转化高，环境友好，噪声低等优点。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制。其能量转化效率在40～60% ，如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达 80% 以上。燃料电池中发展规模最大的一个方向就是质子交换膜燃料电池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，其工作温度在所有燃料电池当中最低，PEMFC燃料电池具有能量转换效率高、无污染、可低温快速启动、寿命长和功率密度高等特点^[1-4]。