基于响应面法的PEMFC输出性能优化研究

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1、国内图书分类号：TP18,TM911密级：公开国际图书分类号：621.3西南交通大学研究生学位论文基于响应面法的PEMFC输出性能优化研究年级二O一五级姓名刘优贤申请学位级别工学硕士专业电气工程指导老师陈维荣教授二零一八年四月ClassifiedIndex:TP18,TM911U.D.C:621.3SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONOUTPUTPERFORMANCEOPTIMIZATIONOFPEMFCBASEDONRSMGrade:2015Candidate:LiuYouxianAcad

2、emicDegreeAppliedfor:MasterofScienceinEngineeringSpeciality:ElectricalEngineeringSupervisor:Prof.ChenWeirongApril,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要提升质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）的性能和使用效率是其大规模推广应用的主要前提。当单电池或电堆通过一系列的工程设计完成组装后，改变工作温度、操作压力、反应湿度和气体流速等控制参数是提升电池输出性能的主要途径。为使PEMFC输出性能

3、和利用效率达到“理想”的状态，合理地控制这些参数对燃料电池商业化至关重要。本文以美国Scribner联合公司所提供的890e&890ZV燃料电池测试系统为基础，采用实验设计方法寻求水冷PEMFC单电池的最佳参数匹配，研究了控制参数对其输出电压、内部阻抗、输出效率的影响以及出厂PEMFC单电池性能快速检验等内容。主要研究成果如下：针对加湿温度、电池温度、阴阳极过量系数这四个控制变量，利用单因素实验法、正交试验设计法和响应面法(ResponseSurfaceMethod,RSM)这三种实验设计方法分别寻求质子交换膜燃料电池的最佳参数匹配，使得单片电池的输出电压达到最优

4、。通过实验可以发现单因素实验法的测试周期过长，且无法确定各控制参数对PEMFC输出电压的影响权重；常见的正交试验法并没有考虑到控制参数之间客观存在的交互作用，无法确定各个控制参数之间的交互作用对PEMFC输出电压的影响；而应用统计学原理的响应面法不但能够快速直观地找到最佳参数匹配，还可以通过图形展示各个控制变量与输出量之间的变化趋势，是三种方法中精度最高、寻优最快的。基于响应面法分别从PEMFC输出效率、PEMFC内部阻抗和出厂PEMFC单电池性能检验这三方面展开研究：1、以PEMFC单电池效率为性能评价指标进行响应面法实验，由实验结果得知大电流密度下阳极过量系数

5、对PEMFC输出效率影响最大，且阳极过量系数越小，电池输出效率越高，而其他三个操作参数对PEMFC效率的影响规律与以PEMFC单电池输出电压为性能评价指标的影响规律基本一致；2、将交流阻抗谱法和响应面法结合共同研究控制参数对PEMFC内部阻抗的影响，可以发现在大电流密度下电池温度和加湿温度是影响欧姆电阻值的主要因素，同时阴极过量系数是影响活化电阻值大小的重要参数；3、根据响应面法的预测功能对随机抽取的已经活化好的10片出厂单电池输出性能进行检测，并提出了一种检验单片质子交换膜燃料电池出厂性能的方法。关键词：PEMFC输出性能；正交试验设计法；响应面法；效率；阻抗西

6、南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractImprovingtheperformanceandefficiencyofprotonexchangemembranefuelcell(PEMFC)isbeneficialtoitslarge-scaleapplication.WhenaPEMFCorPEMFCsareassembledthroughaseriesofengineeringdesigns,themainwaytoimprovetheoutputperformanceofPEMFCistochangethecontrolparameters,su

7、chasoperatingtemperature,operatingpressure,reactionhumidityandgasflowrate.InordertoachievethebeststateofPEMFCoutputperformanceandefficiency,itisessentialtocontroltheseparametersreasonablyforthecommercializationofPEMFCs.Inthispaper,basedonthe890e&890ZVfuelcelltestsystemprovidedbyScribn

8、erUni