1空冷型PEMFC堆工作特点概述 （1）电堆的反应气体压力空冷型PEMFC堆阴极侧为平行沟槽流场，并与空气连通，故空气的供气压力为大气压力。阳极侧为蛇形流场，为提高氢气的利用率，尾气排放采用脉冲排气的方式；从理论上讲，增大氢气压力可以提高电堆的输出性能，但是氢气压力也不宜过高，否则会造成阳极和阴极的压差过大而损坏MEA，一般氢气的供气压力为40～50kPa. （2）电堆的http://www.shuicl.info/ 水管理为了降低电堆运行系统的复杂性和自身能耗，空冷型PEMFC堆的水管理一般采用自增湿的方法。通过强化阴极生成水向阳极的反扩散作用来实现质子交换膜的自增湿，并通过阳极排水的方式将多余的水排出电堆。 （3）电堆的热管理PEMFC堆的能量转换效率通常在50%～60%之间，这就意味着电堆在工作过程中会产生大量的热量，为维持电堆工作温度的稳定，必须将废热排出。空冷型PEMFC堆采用空气作为冷却介质，加上小型风扇来推动冷却空气流过电堆阴极实现电堆的冷却。 2空冷型PEMFC堆温度特性研究 PEMFC堆的工作温度是影响电堆输出性能的关键因素。 通过实验发现空冷型PEMFC堆在不同的电流输出段具有不同的最佳工作温度，而且这个最佳工作温度与环境温度也有密切关系。为明确空冷型PEMFC堆的最佳工作温度与输出电流和环境温度的关系，我们通过实验手段对空冷型PEMFC堆的温度特性进行研究。 2.1实验系统实验系统使用的空冷型PEMFC堆由22片单电池组成，几何尺寸为102mm×106mm×53mm，单电池电化学反应面积为40cm2.阴极侧为平行沟槽流场，并与空气连通，阳极侧为蛇行流场，空气供气压力为大气压力，氢气供气压力为50kPa.电堆额定功率100W，额定电流10A，电压变化范围10～19VDC.两个风扇安装在电堆上方，用于供气和冷却。利用位于电堆内部的两个温度传感器，检测两个风扇冷却区域的电堆工作温度。通过调节风扇供电电压，实现空气供给流量和电堆工作温度的控制，在实验中各单电池电压可单独检测。 2.2实验步骤与结果分析首先，为研究空冷型PEMFC堆最佳工作温度与电流输出的关系，进行定环温，变电流输出实验。以环境温度25℃为例，恒定环境温度为25℃，使用电子负载使电堆输出电流在0～10A范围内变化，变化间隔为±0.5A.在不同的电流值下，通过调节风扇电压控制电堆工作温度在一定范围内变化，绘制电堆输出电压随电堆工作温度的变化曲线。 各电流输出的电堆温度变化范围内，均存在电压变化最大值，该电压最大值对应的电堆工作温度就是电堆在该输出电流下的最佳工作温度。在环境温度为25℃时，电堆最佳工作温度与输出电流的关系。 为研究空冷型PEMFC堆最佳工作温度与环境温度的关系，分别在环境温度为15，20，30，35℃下重复上述实验，获得一组电堆在不同环境温度下的最佳工作温度与输出电流的关系曲线，如图3所示，从下到上依次为环境温度15，20，25，30，35℃的最佳工作温度与输出电流的关系曲线。 2.3温度特性建模在设计空冷型PEMFC堆温度控制单元时，确定温度设定值是十分关键的，而通过实验所获得的有限个电堆最佳工作温度点，不能满足环境温度和电堆输出电流变化情况下，随时，准确地给出设定值进行温度控制的系统要求。因此，建立一个能够随环境温度和电堆输出电流变化，反映温度特性规律的数学模型是十分必要的。 通过本节开头的描述，空冷型PEMFC堆的温度特性可描述如公式（1）。 Tstack=f（Ioutput，Te）（1） 通过对图3的分析，电堆工作温度特性可利用对数―――指数形式多项式进行拟合，给出电堆最佳工作温度与环境温度和输出电流之间的关系，电堆工作温度特性模型表达式如公式（2）。 Tstack=algIoutput+bTe+mexp（nIoutput）（2） 式中：Tstack为电堆最佳工作温度；Te为环境温度；Ioutput为电堆输出电流；a，b，m，n为模型的可变参数。Ioutput∈（0，10）（A），Te∈<15，35>（℃）。 式（2）给出了电堆工作温度特性模型，其中a，b，m，n是需要优化的模型参数。 考虑到电堆工作温度特性模型是一个非线性模型，采用遗传算法对模型参数进行优化。遗传算法作为一种基于选择和自然遗传的全局优化算法，特别适用于处理传统搜索方法环境温度为25℃时，不同电流输出下的电堆输出电压随电堆工作温度变化曲线图。 解决不了的复杂问题和非线性问题。本文使用MATLAB7.0自带的遗传算法与直接搜索（GADS）工具箱对电堆的温度特性模型参数进行优化。运行遗传算法程序，以环境温度25℃下的电堆工作温度特性模型参数优化为例，个体最佳适应度函数值变化。得到最终计算结果。 可以看出，模型的决定系数R2（回归平方和/实验值离均平方和）达显着水平，表明该模型具有很高的精度。 以环境温度在25℃下的电堆工作温度特性模型输出与实验输出比较为例，比较结果。 3空冷型PEMFC堆湿度特性研究 PEMFC堆的堆内湿度是影响电堆输出性能的另一个关键因素。电堆所用的全氟磺酸膜需要一定的含水量才可以传导质子，而且一般来说含水量越高质子传导性能越好；但大量水的存在会导致阴极扩散层内氧传质速度的降低，增加浓差极化，降低电堆输出性能。我们通过实验手段对空冷型PEMFC堆的湿度特性进行研究。 3.1实验系统空冷型燃料电池控制器通过控制电磁阀的开闭时间来调整电堆的尾气排放周期，进而调节电堆内部湿度。 3.2实验步骤与结果分析为研究空冷型PEMFC堆尾气最佳排放周期与电流输出的关系，使用电子负载使电堆输出电流在0～10A范围内变化，在小电流输出时变化间隔为±0.5A，在中，大电流输出时变化间隔为±1A.在不同的电流值下，首先在某一恒定环境温度下，使电堆工作温度稳定在该输出电流下的最佳工作温度点上，然后通过调节电磁阀开闭时间控制电堆尾气排放周期在一定范围内变化，绘制电堆输出电压随电堆尾气排放周期的变化曲线。 实验结果表明：电堆在小电流输出时，反应生成水量较少，电堆工作温度较低，生成水多以液态形式存在，尾气排放周期设定较长才能保证质子交换膜充分水合，少量的周期调整对电堆内部湿度的影响较小，所以在输出电流为1A下的周期调整量为±7s时，电压才有明显变化；随着输出电流的增大，电堆工作温度逐渐升高，反应生成水增多且多以气态形式存在，尾气排放周期会非常灵敏地影响电堆内部湿度，排放频率过快，易产生质子交换膜失水现象，反之，则易产生电极淹没现象，所以尽管在输出电流为4A和8A下的周期调整量降至±4s和±2s，电压仍变化明显。电堆的尾气最佳排放周期与输出电流的关系。 3.3湿度特性建模同样，在设计空冷型PEMFC堆湿度控制单元时，确定尾气排放周期值是十分关键的，而通过实验所获得的有限个尾气排放周期值，不能满足电堆输出电流变化情况下，随时，准确地给出设定值进行湿度控制的系统要求。因此，建立一个能够随电堆输出电流变化，反映湿度特性规律的数学模型是十分必要的。 空冷型PEMFC堆的湿度特性可描述如下：t=f（Ioutput）（3） 通过分析，电堆湿度特性可利用对数―――指数形式多项式进行拟合，给出电堆尾气最佳排放周期与输出电流之间的关系，电堆湿度特性模型表达式。 同样运用遗传算法对模型参数进行优化，个体最佳适应度函数值变化。最终得到计算结果。 对电堆工作湿度特性模型输出与实验输出进行比较。 4结论 本文设计实验分析环境温度和负载变化对电堆温度的影响作用，建立基于遗传算法优化的电堆温度特性模型，并通过观察输出电压变化，确定尾气排放周期对堆内湿度的影响规律。温度和湿度特性实验结果表明，电堆工作温度和尾气排放周期是影响输出性能的重要因素，在环温和负载变化条件下，存在最优工作温度和排放周期，而且具有一定规律。采用数值拟合方法建立电堆温度特性模型，应用遗传算法优化模型参数，仿真结果表明模型具有较高的精度和有效性，能够很好的描述电堆最优工作温度变化规律。 来源:http://www.edianchi.com/news/html/Tech/9214.html
