大功率PEMFC装配建模及应力状态分析

大功率质子交换膜燃料电池(PEMFC)由数百个部件层叠装配而成，特征尺度跨度大、接触界面多，难以高效准确预测内部应力分布状态。提出大功率PEMFC电堆装配等效模型，通过交替堆叠10只电池等效体和全尺寸单体电池，实现超400只电堆反应区和密封区应力分布的高效计算。与实验相比，等效模型的预测误差为5.17%。等效模型计算发现，受端板变形的影响，靠近端板的单体电池内部接触压力均匀性较差；当靠近堆心时，单体电池接触压力均匀性提升，反应区压力变大，密封区压力变小。增加端板弹性模量和流道脊槽比，可提升单体电池内部压力均匀性及电池间的应力一致性。     

新型轻量化燃料电池电堆端板的设计与研究

为掌握高功率密度、高可靠性、适用于批量化生产的燃料电池电堆端板关键前瞻技术,应用非金属材料与金属材料结合的设计思路,从材料及结构两个方面开展新型轻量化端板方案设计。首次采用PPS+GF40新型材料,利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对新型端板结构进行力学校核。仿真及样机测试结果均表明,新型轻量化端板满足电堆的机械性能要求,且优化后方案简化了绝缘板结构,端板较之前减重可达60%以上。除此之外,端板新增添导流板结构,合理分布形状及角度,从而提升电堆整体性能。由原来流量偏差量的43.6%提升至4.8%。     

质子交换膜燃料电池低温启动特性研究

提出了一种冷却介质辅热的燃料电池系统低温自启动设计方案,并基于二维非稳态模型研究了单电池与电池堆在低温启动过程中温度的动态分布特性。研究结果表明,电池堆端板的热容效应与冷却液流速分布是影响电池堆温度分布的主要因素。降低燃料电池端板的热容及电堆的轻量化设计将有助于提高电池的低温启动能量效率与工作寿命。     

不同参数对PEMFC电堆低温起动影响的仿真研究

在一定假设条件下,将每片电池分成10层,每层看成一个集总参数,在Matlab/Simulink软件平台上搭建了由20片电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型。分别对不同双极板材料、不同端板材料、电堆内有/无残存冷却液及加载1.0 A/cm2的电流密度进行仿真研究,得到不同参数对PEMFC电堆低温起动的影响,为燃料电池电堆的低温起动提供技术支持。     

质子交换膜燃料电池低温起动方法的仿真研究

在一定假设条件下,将每片单电池分成10层,每层看成一个集总参数,利用Matlab/Simulink软件搭建了由20片单电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型。采用不同的起动方法使电堆达到低温起动条件,对电堆的低温起动特性进行仿真分析,得到不同低温起动方法的电堆内部温度分布规律和其自身起动的所需时间,为燃料电池电堆低温起动的商业化提供技术支持。     

燃料电池堆单片电压一致性研究进展

燃料电池堆单片电压一致性是电堆工作性能好坏的重要指标之一,单片电压一致性较高,电堆性能以及稳定性较好。由于操作参数、结构以及材料等因素影响,目前燃料电池堆单片电压一致性不是很理想,特别在大电流、水热分布不均、动载荷以及长时间运行时电压一致性明显变差。介绍了单片电压一致性的评价标准以及目前的研究进展,对燃料电池堆单片电压一致性的未来发展趋势进行了总结。     

8kW常温常压空冷PEM燃料电池堆设计

详细介绍了8 kW应急电源用常温常压空冷PEM燃料电池堆从技术要求到实验测试的整个设计过程,包括极板设计、电堆装配、电堆伏安特性测试、电堆单片电压测试以及电堆稳定性测试。实验测试充分证明了电堆设计的合理性、可行性、有效性。     

UG/WAVE技术在铝氧化银电堆结构设计中的应用

铝氧化银电堆双极性堆式结构复杂,关联数据较多,采用传统自底向上的设计方法已无法满足其设计要求。介绍了UG/WAVE技术及其自顶向下的建模方法,研究了某型号铝氧化银电堆双极性堆式结构设计以及装配夹具设计的WAVE技术。采用WAVE设计思想和方法,可以有效地解决双极性堆式结构之间的相互关系,以及装配夹具与电堆结构之间的配合关系,提高了设计的效率,缩短了设计周期,使并行工程的优势得到充分的发挥。     

PEMFC冷却流道数值模拟及实验研究

温度是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作性能的主要因素之一,为了使燃料电池的温度更加均匀并提升电堆综合效率,设计了一种新型冷却流道,通过CFD模拟与传统的平行流道和蛇形流道进行对比,采用表面最大温差、温度均匀指数和冷却液压降评估冷却流道性能。基于新型冷却板,装配1 kW电堆进行膜电极单体电压稳定性实验。结果表明：新型冷却板可以在降低冷却液循环耗能的基础上,保证电堆膜电极的电压均衡性,平均电压波动在±0.003 762 V,进而可进一步提升电堆综合发电性能。     

PEMFC电堆的三维热力耦合数值仿真

以典型质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆为研究对象,结合计算流体动力学与有限单元法建立了多级PEMFC电堆的整体三维稳态热力耦合模型,分析了电堆在不同工作状态时温度、应力及膜电极(MEA)表面接触压力的分布形式和变化规律.结果表明:电堆在封装载荷的作用下,主要沿封装方向单向变形,其余两个方向的变形可以忽略不计;封装好的PEMFC电堆工作前,膜电极(MEA)表面接触压力呈非均匀分布,压力数值从MEA边缘向中心区域递减;当电堆稳态工作后,在结构热应力的影响下,MEA表面接触压力的不均匀性得到缓解,但接触压力数值将损失约20％.