论文部分内容阅读
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)以其能量转换效率高、环境友好及工作温度低等优势,在新能源领域受到广泛的青睐。但是目前PEMFC制造成本高、故障频发、寿命较短等约束了PEMFC大规模商业推广应用。由于PEMFC是一种多物理场耦合的非线性复杂系统,导致其故障的因素很多,尤其随着PEMFC功率增大,容易发生水淹/膜干现象。本文以实验室现有5kW电堆为实验对象,使用水冷型质子交换膜燃料电池测试平台,结合燃料电池在线交流阻抗谱测试仪进行了多组水淹/膜干实验,本文主要研究内容如下:(1)对PEMFC电堆的水淹/膜干问题进行了综述,从堆内水的迁移机理、产生原因及危害、检测方法和缓解措施几个方面进行了总结和归纳。在经典Randles电路模型的基础上进行改进得出适用于本电堆的R(C(R(RC)))等效电路模型。(2)通过控制变量法,分别改变电堆的温度及阴/阳极过量系数对电堆进行水淹实验。通过分析各条件下电压、交流阻抗谱以及均衡性得出对电堆水淹状态影响程度依次为:温度、阴极过量系数、阳极过量系数;检测水淹的主要参考依据为阴/阳极法拉第阻抗变大且欧姆阻抗几乎不变;电堆出现水淹都是先从故障片开始,逐渐影响到其他片最终导致整堆进入水淹状态。(3)通过改变电堆操作条件使电堆处于轻度和重度膜干状态,测量电堆极化曲线及欧姆阻抗等参数。实验显示在膜干严重时会出现非常危险反极的现象,判断电堆是否膜干的主要参考依据为电压骤降,欧姆阻抗变大;电堆膜干首先出现在故障片上,除故障片外首先出现在远离电堆气体进出口的单片开始,逐步向靠近气体进出口的单片扩散。(4)通过实验对水淹/膜干缓解措施进行分析,电堆进入膜干状态时,为保证安全,应先停机再使用饱和气体吹扫电堆并降低电堆温度;当电堆进入水淹状态时,脉冲排气可以作为辅助缓解措施,最重要的就是调节控制参数,升高电堆温度并提高阴/阳极过量系数,才能从水/热管理方面解决水淹问题。(5)使用JSM-7800F场发射扫描电子显微镜观察正常片和故障片的双极板、气体扩散层及质子交换膜微观结构的区别,根据结果可推测本电堆中的故障片出现故障是由于长期水淹浸泡和短时膜干高温导致的。