● 摘要
氢能和燃料电池技术被认为是解决能源短缺和环境污染问题最有前景的方案之一，燃料电池动力系统可作为理想的汽车动力装置而替代传统内燃机。本文采用试验与建模相结合的方法，研究了质子交换膜燃料电池堆的电气性能及燃料电池动力系统运行参数的优化方法，目的在于改善燃料电池动力系统的输出特性。利用5kW质子交换膜燃料电池试验台对燃料电池堆的稳态特性、动态响应、单电池一致性、欧姆阻抗、表面温度分布及运行参数对电堆性能的影响进行了试验研究，并从电化学热力学及动力学两方面分析了其影响机理。得到了温度、压强、计量比等运行参数对燃料电池堆性能的影响规律及提高电堆性能的有效途径。基于热力学第一定律建立了内增湿式质子交换膜燃料电池堆的动态传热模型，综合考虑了热量的产生和各种传递方式，对各项热流的值进行了定量计算，利用该模型分析了在不同负荷及冷却条件下电堆温度的动态响应，探讨了电堆温度的控制方式。研究了燃料电池堆输出特性参数的优化方法。提出以额定功率和单电池波动率作为车用燃料电池堆的输出特性参数，定义了输出特性参数的信噪比，并给出了相应的计算方法。采用L16（45）正交表制定试验方案，用误差因素模拟各种干扰，以信噪比作为衡量电堆性能的指标。定量分析了各运行参数对输出特性参数的影响程度，最后给出了运行参数的优化水平和电堆性能的优化预测空间。对燃料电池动力系统进行了运行优化研究。首先基于电化学反应机理和试验数据，建立了质子交换膜燃料电池堆的半经验模型，并将该模型与辅助设备模型相结合，建立了燃料电池动力系统（Fuel Cell Power System, FCPS）模型。在此基础上，针对FCPS进行了火用平衡分析，以火用效率为目标函数，建立了FCPS的优化模型，基于序列二次规化法提出了FCPS的运行优化方法，在净输出功率不变的前提下，提高了系统的火用效率。