燃料电池系统热力学性能分析及多目标优化研究

燃料电池作为一种高效、清洁的能量转换装置,在能源匮乏,环境污染严重的当今社会受到人类的青睐。随着信息技术的发展,质子交换膜燃料电池(PEMFC)动力系统由于具有续航时间长、体积小及机动性好等特点被视为未来优选的动力设备。但由于PEMFC自身成本高,功率密度低,使其大规模应用受到了很大钳制。为深入探究不同操作参数及环境对PEMFC输出性能的影响,分析燃料电池的最优操作参数分布规律,本文的主要研究内容及结论如下:1、建立了氢-空、氢-氧质子交换膜燃料电池系统的仿真模型,分析并对比了不同工况对燃料电池系统输出性能的影响。结果表明:提高阳极进气压力、进气相对湿度会提升燃料电池的整体输出性能。增大电流密度,可使系统的输出电功率升高,且当电流密度为900mA/cm~2左右时,系统输出电功率达到最大值。通过分析可以看出,为保证系统的输出特性,燃料电池电流密度的选取不宜太小,但也不宜超过950mA/cm~2。相同工作条件下,氢-氧燃料电池相比氢-空燃料电池在系统输出电功率及系统输出电效率上有明显提高。2、基于已建质子交换膜燃料电池模型,分析了海拔高度对电池性能的影响。结果显示:随着高度的增加,系统输出电压、电功率及系统效率逐渐降低。较大的工作电流导致较大电功率和效率的衰减,而且随着高度的增加,系统的最佳工作电流逐渐减小。在电流密度为1000mA/cm~2的情况下,当高度上升到5km时,系统输出电功率衰减了14.9%。而在相同海拔的情况下,PEMFC系统保持相对合适的电流密度及较高的氢气进气压力能有效提升整个动力系统的输出性能。3、利用多目标遗传算法对系统进行多目标优化,得出燃料电池最优操作参数集,为燃料电池的性能优化提供理论依据。根据目标函数所占权重的不同,优化结果如下:电流密度均匀分布在100-1000mA/cm~2之间,工作温度接近348K,氢气进气压力为2.8atm-3atm之间,空气进气压力在1.2atm-1.6atm之间,相对进气湿度多数分布在100%。本文通过对燃料电池系统的仿真优化分析,为燃料电池的工业应用提供技术和理论支撑。