【摘 要】
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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个集合了物理与化学反应的发电系统,可以将清洁可再生燃料高效的转换为电能,其性能的好坏取决于输入的操作参数和对电池工况的实时调控。电池工作的时候内部参数是动态变化的,因此电流密度和温度存在分布不均的现象,此时电池内部参数的原位监测对于保障其正常工作尤为重要。目前许多PEMFC参数监测技术都具有破坏性或者不能实现原位监测。本文围绕PEMFC内部参数监测技术展开研究,
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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个集合了物理与化学反应的发电系统,可以将清洁可再生燃料高效的转换为电能,其性能的好坏取决于输入的操作参数和对电池工况的实时调控。电池工作的时候内部参数是动态变化的,因此电流密度和温度存在分布不均的现象,此时电池内部参数的原位监测对于保障其正常工作尤为重要。目前许多PEMFC参数监测技术都具有破坏性或者不能实现原位监测。本文围绕PEMFC内部参数监测技术展开研究,通过仿真和实验相结合,研究微传感器对PEMFC性能的影响,并对电池内部温度和电流密度分布情况进行了研究,主要内容如下:首先,对微传感器分布位置进行理论研究,建立PEMFC数学模型,通过数值仿真,研究阳极流场和阴极流场温度、电流密度分布情况,分析微传感器分别位于流道肩和流道内对电池性能的影响,发现将传感器置于流道内对PEMFC性能影响更小,且阳极流场和阴极流场温度和电流密度分布情况相近。其次,阐述PCB蛇形流场分区原理(PCB分区技术和电阻网络技术)及分区方式,然后根据微温度传感器和电压传感器的工作原理对其进行设计,结合分区流场和微传感器设计PCB电路,构建分区电池,接着对微温度和电压传感器进行标定实验。再次,详细介绍PEMFC内部参数监测技术方案,依照技术方案需求搭建在线监测硬件平台和软件平台,其中硬件平台包括PEMFC测试台、分区电池和信号采集仪器,软件平台是基于LabVIEW完成信号采集系统的设计,利用微温度传感器监测数据构建温度场,实现了温度的可视化。最后,通过设计系列对比实验研究操作参数和微传感器对PEMFC性能的影响,以及电池流场温度和电流密度分布情况,通过监测数据定量分析与定性总结操作参数对电池性能的影响,布置微传感器使电池性能下降3.653%。微温度传感器和电压传感器实现了原位监测阳极流场温度和电流密度的分布,并获得了不同操作参数下电池温度和电流密度的分布情况。本文通过仿真和实验结合,完成了微温度传感器和微电压传感器的设计与开发,为燃料电池内部参数监测提供了可行的技术手段。
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