質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一個(gè)集合了物理與化學(xué)反應(yīng)的發(fā)電系統(tǒng),可以將清潔可再生燃料高效的轉(zhuǎn)換為電能,其性能的好壞取決于輸入的操作參數(shù)和對(duì)電池工況的實(shí)時(shí)調(diào)控。電池工作的時(shí)候內(nèi)部參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的,因此電流密度和溫度存在分布不均的現(xiàn)象,此時(shí)電池內(nèi)部參數(shù)的原位監(jiān)測(cè)對(duì)于保障其正常工作尤為重要。目前許多PEMFC參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)都具有破壞性或者不能實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)。本文圍繞PEMFC內(nèi)部參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)展開研究,通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,研究微傳感器對(duì)PEMFC性能的影響,并對(duì)電池內(nèi)部溫度和電流密度分布情況進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下:首先,對(duì)微傳感器分布位置進(jìn)行理論研究,建立PEMFC數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值仿真,研究陽極流場(chǎng)和陰極流場(chǎng)溫度、電流密度分布情況,分析微傳感器分別位于流道肩和流道內(nèi)對(duì)電池性能的影響,發(fā)現(xiàn)將傳感器置于流道內(nèi)對(duì)PEMFC性能影響更小,且陽極流場(chǎng)和陰極流場(chǎng)溫度和電流密度分布情況相近。其次,闡述PCB蛇形流場(chǎng)分區(qū)原理（PCB分區(qū)技術(shù)和電阻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）及分區(qū)方式,然后根據(jù)微溫度傳感器和電壓傳感器的工作原理對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合分區(qū)流場(chǎng)和微傳感器設(shè)計(jì)PCB電路,構(gòu)建分區(qū)電池,接著對(duì)微溫度和電壓傳感器進(jìn)行... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：99 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

PEMFC的基本工作原理

3PEMFC結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，主要由端板（EndPlate）、雙極板（Bipolarplate）、流道（FlowChannel）、氣體擴(kuò)散層（GasDiffusionLayer,GDL）、催化層（CatalystLayer,CL）、質(zhì)子交換膜（ProtonExchangeMembrane,PEM）、密封圈等構(gòu)成，并逐級(jí)裝配。其中陰陽極GDL、陰陽極CL以及PEM組成膜電極（MembraneElectrodeAssembly,MEA）[11]。圖1-1PEMFC結(jié)構(gòu)示意圖圖1-2PEMFC的基本工作原理如圖1-2為PEMFC的工作原理，陽極通氫氣，陰極通空氣，反應(yīng)氣體經(jīng)流道、擴(kuò)散層、催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。陽極e、H由2H經(jīng)催化劑作用下分解，流道螺栓MEA端板極板墊圈

隹諗懦觥Ｓ捎詰繾擁那ㄒ疲?飩擁緶?會(huì)產(chǎn)生電流。在標(biāo)況（25℃，101315Pa）下，PEMFC的理論電勢(shì)為1.229V，但由于工作過程中存在活化極化、歐姆極化和濃差極化損失，燃料轉(zhuǎn)化為電能和熱能，實(shí)際電勢(shì)約為0.7V[12]。實(shí)際應(yīng)用中，需要較大的負(fù)載功率時(shí)，需要把多個(gè)燃料電池串聯(lián)在一起，對(duì)于電池內(nèi)部參數(shù)的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。蔡璐瑤[1]研究了PEMFC原位水分布檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用，應(yīng)用了分區(qū)電池系統(tǒng)進(jìn)行電池原位檢測(cè)，為PEMFC水管理提供了一種可視化方法。分區(qū)集流技術(shù)路線的主流是利用PCB技術(shù)進(jìn)行分區(qū)電池的設(shè)計(jì)并用于監(jiān)測(cè)。如圖1-3所示，JiaoK等[13]通過同時(shí)測(cè)量電流和溫度的分布著重研究PEMFC的冷啟動(dòng)特性，并且還開發(fā)了一種快速估算吹掃時(shí)間的分析模型。圖1-3一種使用PCB分區(qū)技術(shù)的PEMFC電流和溫度分布采集裝置1.2.2燃料電池監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀電池監(jiān)測(cè)技術(shù)一般有原位監(jiān)測(cè)和異位監(jiān)測(cè)兩種技術(shù)手段，監(jiān)測(cè)即是為了實(shí)時(shí)掌握燃料電池的內(nèi)部工況，并且能夠知悉電池的工作特性，為深入研究提供可靠數(shù)據(jù)。在原位監(jiān)測(cè)中，根據(jù)測(cè)量原理，可分為物理和電化學(xué)監(jiān)測(cè)法兩種。物理監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過外置檢測(cè)設(shè)備，通過成像技術(shù)或者物質(zhì)分離、成分檢測(cè)的方法，以物理檢測(cè)手段直觀呈現(xiàn)燃料電池內(nèi)部參數(shù)分布情況。常用的主要有：1）中子成像；2）光學(xué)可視化；3）X光成像；4）質(zhì)子核磁共振成像（NMRImage）；5）氣相色譜（Gaschromatography）。電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法則利用PEMFC的電化學(xué)性質(zhì)，運(yùn)用電路測(cè)量，通過相關(guān)傳感器及外置電路對(duì)其進(jìn)行直接/間接的方式來獲得燃料電池的電壓、電流、電阻

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于電磁場(chǎng)的PEMFC電流分布實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量研究[J]. 仲志丹,王冰雪,楊晴霞,黨國(guó)輝,李鵬輝.  系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào). 2014(12)
[2]質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[J]. 泮國(guó)榮,胡桂林,李國(guó)能,鄭友取,林財(cái)榮.  能源工程. 2014(01)

碩士論文
[1]PEMFC分區(qū)集流檢測(cè)技術(shù)研究及啟停特性分析[D]. 曹繼申.電子科技大學(xué) 2018
[2]PEMFC原位水分布檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 蔡璐瑤.電子科技大學(xué) 2018
[3]質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)控系統(tǒng)研究[D]. 高一方.西南交通大學(xué) 2017
[4]水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池限制高電位策略研究[D]. 李巖.西南交通大學(xué) 2017
[5]蒸汽式直接甲醇燃料電池燃料汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究[D]. 張兆春.華南理工大學(xué) 2016
[6]質(zhì)子交換膜燃料電池多工況下在線性能實(shí)驗(yàn)研究[D]. 張智軒.天津大學(xué) 2015
[7]鎖緊螺栓對(duì)PEMFC電堆雙極板熱力變形影響的研究[D]. 艾有俊.武漢理工大學(xué) 2015
[8]基于有限元方法的電池組電流分布檢測(cè)分析研究[D]. 王冰雪.河南科技大學(xué) 2014
[9]液壓功率智能儀表性能及故障監(jiān)測(cè)研究[D]. 張俊.大連海事大學(xué) 2012
[10]基于虛擬儀器的太陽能電池?zé)嵫h(huán)測(cè)試系統(tǒng)研究[D]. 孫昊騁.華中科技大學(xué) 2012



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