质子交换膜燃料电池停机吹扫过程研究

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1、质子交换膜燃料电池停机吹扫过程研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：潘浩指导教师:徐梁飞副研究员二○一七年五月ResearchonGasPurgeProcessduringShuttingDownofProtonExchangeMembraneFuelCellThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringandEnginee

2、ringThermophysicsbyPanHaoThesisSupervisor：Associate：ProfessorXuLiangfeiMay,2017摘要摘要车用质子交换膜燃料电池大规模应用的关键问题——低温冷启动问题目前尚未解决。燃料电池电堆低温启动性能在很大程度上受电堆初始水含量影响，而燃料电池停机以后对电堆进行气体吹扫，可以有效改变电堆低温启动时的初始水含量，提升电堆的低温启动性能，因此研究电堆停机吹扫过程很有必要。由于在实际车辆上不便于携带氮气，而用氢气吹扫阳极会消耗大量燃料，且电堆产水和积水主要在阴极侧，因此，本课题聚焦阴极吹扫过程，从实验、建

3、模和优化控制三方面开展研究。首先，在环境舱中搭建小型堆实验台架，通过吹扫实验来研究不同吹扫参数对于吹扫除水效果和能耗的影响。由于电堆水含量不便于直接测量，本文在实验时选用电堆进出口温湿度积分法求电堆吹扫除水速率来进行表征。实验结果表明，对吹扫除水效果起决定性影响的两个因素是电堆温度和吹扫气体流量。基于此定性地提出停机吹扫策略——在电堆温度未大幅下降之前进行气体吹扫，气体吹扫流量应该初始时较大而末态时较小。其次，基于已有研究将停机吹扫除水过程分为三个阶段建模：垂直平面方向的水传递阶段、沿平面方向的水传递阶段以及质子交换膜内的水传递阶段。建立了停机吹扫机理模型，整合

4、了高频阻抗和能耗模块。对比实验和仿真结果，两者吻合度较高。此外，还通过模型拓展分析了难以在实验台架上开展的研究，比如吹扫进气湿度和电堆吹扫初始水含量对吹扫过程的影响。仿真结果表明，吹扫进气湿度主要影响电堆最终能被吹扫干燥的程度，而电堆吹扫初始水含量主要影响电堆吹扫干燥所需的总时间。最后，仿真研究了考虑吹扫时间限制的最优吹扫能耗控制策略，包括恒流量吹扫策略、基于动态规划算法的变流量最优吹扫策略以及基于规则的三段式停机吹扫实时控制策略。结果表明，恒流量吹扫策略采用基于MAP的控制，较为简单，可以实现在规定的吹扫时间限制内，恒流量吹扫能耗最低；变流量最优吹扫策略采用动

5、态规划算法求解，在所有策略中能耗最低，但计算时间较长，不便进行实时控制；基于规则的三段式吹扫策略从动态规划结果归纳得到，吹扫能耗与动态规划策略相差无几，且易于进行实时控制。关键词：质子交换膜燃料电池；阴极吹扫；实验；建模；控制IAbstractAbstractAkeyfactorforProtonExchangeMembraneFuelCell(PEMFC)tobeappliedinlargescaleinvehicles,whichisstart-upunderzerodegree,hasn’tbeensolvedyet.Thestart-upperforma

6、nceoffuelcellstacksunderzerodegreeislargelyinfluencedbytheinitialwatercontentinstackbeforestart-up.Gaspurgeduringshuttingdownofthestackcaneffectivelychangetheinitialwatercontentinstackbeforestart-up,thuspromotingthestart-upperformanceoffuelcellstacksunderzerodegree.Therefore,it’svery

7、necessarytostudygaspurgeprocessduringshuttingdownofthestack.Asnitrogenishardtobecarriedinactualvehicles,andpurgingtheanodewithhydrogenconsumesalotofhydrogenfuel,alsowaterisalwaysproducedandaccumulatedatthecathode,thispaperisgoingtofocusoncathodicgaspurgeprocess.Thispaperisgoingtostud

8、ytheissuefro