【摘 要】
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面对当前的能源危机问题,研究燃料电池技术具有重要的意义,特别是在燃料电池热电联供技术领域。本文首先从质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型出发,研究不同参数对电堆输出性能的影响。再以电堆为核心,搭建PEMFC热管理系统,对其进行研究。其次在热管理系统的基础上建立PEMFC热电联供系统（PEMFC-CHP）,对系统的效率进行研究分析。最后基于PEMFC-CHP系统,建立了一种与太阳能相结合的热电联供系
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面对当前的能源危机问题,研究燃料电池技术具有重要的意义,特别是在燃料电池热电联供技术领域。本文首先从质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型出发,研究不同参数对电堆输出性能的影响。再以电堆为核心,搭建PEMFC热管理系统,对其进行研究。其次在热管理系统的基础上建立PEMFC热电联供系统（PEMFC-CHP）,对系统的效率进行研究分析。最后基于PEMFC-CHP系统,建立了一种与太阳能相结合的热电联供系统,并对其供热性能进行研究。主要研究工作和结论如下:1.利用MATLAB软件建立了PEMFC的Simulink仿真模型,并对电堆动态响应特性进行了研究。分析了电流密度、工作温度、两极进气压力、进气相对湿度对PEMFC电堆输出性能的影响。在PEMFC热管理系统中,使用普通PID、Fuzzy-PID和RBF-PID三种不同控制器对电堆入口温度进行控制,并对比分析了控制效果。结果表明:提高工作温度、两极进气压力和进气相对湿度都能够提高电堆的输出性能,且增大进气相对湿度对性能的提高较为明显,而提高工作温度对性能的提高较为微弱。在0～1.78A/cm~2范围内,系统的输出电功率随电流密度增大而升高。当电流密度为1.78A/cm~2时,系统输出功率达到最大值6859.9W。在条件相同的情况下,使用RBF-PID控制器可获得较短的上升和调节时间,较小的超调量,且比较节能,因此其控制效果最好,其次是Fuzzy-PID控制器。2.基于质子交换膜燃料电池模型,搭建了PEMFC-CHP系统模型,分析了不同冷却水流量和外部负载对热电联供系统电效率、热效率和热电联供效率的影响。研究并分析了储热水箱的温度变化和储水量变化。结果表明:在一定范围内,冷却水流量的增大对电效率的影响不大,但热效率随冷却水流量的增大而提高。在功率负载范围内,随着外部负载的增大,PEMFC-CHP系统的电效率提高,而热效率略有下降,但总的热电联供效率增加,且最大效率可以达到85%。模拟系统运行24小时,预设储水量为120L时,排水总量约为280L。当预设储水量增加10L时,排水量也增加10L,但排水时间约晚1.5小时,补水量的大小只跟温度有关。3.在已经建立的PEMFC-CHP系统的基础上,加入普通平板式太阳能集热器,构建了太阳能-PEMFC热电联供系统。根据系统的特点设计了两种运行方式:PEMFC模式和太阳能-PEMFC模式。研究并分析了太阳辐射强度对水箱温度和电堆进口温度的影响。以武汉冬季为研究对象,分析冬季各月的平均太阳辐射强度对水箱温度的影响,并以储热水箱做为地暖系统的供热源,对室内采暖状况进行研究。结果表明:系统在太阳能-PEMFC模式下运行时,电堆入口温度会因太阳辐射而产生波动,但温度波动的误差范围在±1.5℃以内,系统可以正常运行。系统吸收太阳能以后能够使水箱温度提升约12.5℃。在武汉冬季运行该系统时,能够使储热水箱温度达到67℃以上,且将其用于地暖供热时可以使面积为25m~2的房间采暖温度达到22℃以上。本文所设计的PEMFC-CHP系统以及进行的仿真研究具有一定的参考价值,能够为燃料电池热电联供系统的应用提供理论指导。
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