基于直流内阻和交流阻抗特性的PEMFC水管理状态分析

基于Randles等效电路，研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）操作温度和湿度耦合关系，建立电堆直流内阻和交流阻抗特性模型。通过两种方法相结合，研究不同操作条件下的电化学阻抗谱图和U-I输出特性曲线的变化规律，以及不同水管理状态在直流内阻和交流阻抗变化规律中体现出的对应关系，进而分析水管理状态对电堆输出性能的影响作用。仿真和实验结果表明，温湿度耦合关系下的不同水管理状态，在电化学阻抗谱图和U-I特性曲线中具有一致的变化规律和对应的量化关系；电堆输出性能中的膜干、水淹等现象，在直流内阻值和交流阻抗图的变化中具有明显的表现特征；通过研究水管理状态对两者的影响，能够实现操作条件的优化和电堆输出性能的优化控制。     

基于直流内阻和交流阻抗特性的铝空气电池输出特性分析

基于二阶RC等效电路模型与工作机理,建立铝空气电池直流内阻特性模型、交流阻抗特性模型和U-I输出特性模型,研究操作条件变化对电池工作性能的影响。通过研究电池在不同操作条件、不同电流密度工作下的直流内阻特性曲线、电化学阻抗谱图以及U-I输出特性曲线的变化规律,分析操作条件变化对电池总内阻与输出性能的影响规律。仿真和实验结果表明,模型具有较高的准确性;操作条件对电池交流阻抗特性与U-I输出特性有明显的影响作用;不同操作条件下电池的交流阻抗谱图和U-I输出特性曲线具有对应的变化规律和量化关系,通过研究操作条件对这两者的影响作用,可为后续操作条件优化、电池输出性能提升奠定基础。     

基于频率正割角计算的燃料电池堆水热管理状态诊断方法

水热状态管理对提高燃料电池堆输出性能具有重要意义。本文基于电化学阻抗谱法原理,结合等效电路模型,通过获取两个阻抗谱特征频率点响应,计算出频率响应点连线与实轴夹角（频率正割角）,提出了一种频率正割角计算方法。理论证明该角度与电堆内阻变化具有唯一性对应关系。仿真和实验结果表明,频率正割角计算结果能够很好地描述堆内水热管理状态变化,以及操作条件变化对电堆输出性能的影响。该方法避免了交流阻抗试验测试步骤繁复、时间周期长、参数拟合困难等不足,给出一种特征明显、直接简便的诊断方法,为电堆操作条件优化和输出性能故障预警奠定了基础,具有良好的应用前景。     

基于频率正割角计算的燃料电池堆水热管理状态诊断方法

水热状态管理对提高燃料电池堆输出性能具有重要意义。本文基于电化学阻抗谱法原理,结合等效电路模型,通过获取两个阻抗谱特征频率点响应,计算出频率响应点连线与实轴夹角(频率正割角),提出了一种频率正割角计算方法。理论证明该角度与电堆内阻变化具有唯一性对应关系。仿真和实验结果表明,频率正割角计算结果能够很好地描述堆内水热管理状态变化,以及操作条件变化对电堆输出性能的影响。该方法避免了交流阻抗试验测试步骤繁复、时间周期长、参数拟合困难等不足,给出一种特征明显、直接简便的诊断方法,为电堆操作条件优化和输出性能故障预警奠定了基础,具有良好的应用前景。     

PEM燃料电池堆动态特性研究

为了探索PEM燃料电池堆的动态特性,对自制5kw PEM燃料电池堆进行了详尽的实验研究。实验结果表明,在所研究条件范围内,温度和压力越高电堆性能越好,而且电堆内阻不仅与工作温度有关,还显著地与操作压力有关。燃料电池堆对于大的负载突变反应能力强,负载变化时,在4s之内就能达到稳定状态,观察到动态极化曲线的不重合现象,它反映了电堆内部水的传质具有复杂机制。     

空冷型质子交换膜燃料电池堆最优性能输出控制

空冷型质子交换膜燃料电池具有结构简单、自身能耗低等特点,在便携式电源研究领域有着良好的应用前景。本文通过实验研究环温和负载变化对电堆工作温度的影响关系,揭示温度和湿度特性对电堆输出性能的影响规律。通过建立基于遗传算法优化的温度特性模型,应用模糊-PID融合算法,设计电堆温度控制器,以及根据各电流输出段的湿度特性,采用不同方式控制尾气排放周期,最终保证电堆输出性能最优。     

不同单价电解质水溶液对逆电渗析电堆工作特性的影响

以5种工质盐溶液作为逆电渗析堆（RED）的工作溶液,分别在两种浓度（mol/L）比（3/0.05、5/0.05）下,分析逆电渗析堆主要工作特性参数：开路电压、电堆欧姆内阻以及功率密度。实验结果表明：电导率高的电解质溶液为工质时,电堆内阻降低,实验中以浓度比5/0.05溴化铵溶液为工质的电堆具有最低的欧姆内阻（2.80Ω）,同时电堆开路电压也最低（1.355V）。因为过高的溶液浓度梯度降低了离子交换膜的离子选择透过性。浓度比5/0.05乙酸钾溶液为工质的电堆具有高的开路电压,达到1.929V,比氯化锂溶液高6.9%,但其电堆内阻比氯化锂溶液高17%,以氯化锂溶液为工质的电堆输出的最大功率密度达到2.217W/m²。以乙酸钠溶液为工质开路电压比乙酸钾稍低,但其内阻过高,使得输出的最大功率密度最小。     

海水中的污染物对逆电渗析电堆性能的影响

海水淡化装置排出的浓缩卤水会造成盐差能的浪费,逆电渗析电堆可以有效回收这种盐差能,并直接转换为电能。但是以海水和浓缩卤水为工作溶液的电堆性能易受工作溶液中不溶性物质的影响。为揭示这种影响规律,对逆电渗析电堆进行了定期的污染物附着实验研究。首先定期测试逆电渗析电堆的输出性能,获得了电堆性能衰减的规律;进而采用扫描电镜和能谱分析仪对离子交换膜和隔垫上的污染物种类进行分析,探究各附着物引起电堆性能下降的原因。结果表明：运行初期（0～20 d）,电堆的开路电压、最大功率密度、能量转换效率,以及内阻变化速度快;运行后期（20～45 d）,浓缩卤水侧的压降增速较快。本研究可为逆电渗析电堆的清洗策略提供一定的理论支持。     

空冷型PEMFC电堆阴极风扇系统实验与模拟

风扇被用于空冷型PEMFC电堆的冷却和氧气的供应,空气流速的大小和分布对于提高电堆输出性能和内部温度的均匀性非常关键,可以通过改变风扇的工作电压(风扇工作在恒流模式)和风扇与PEMFC阴极入口的距离来调整。针对实验室自制空冷型PEMFC电堆进行实验来寻找风扇工作距离和工作电压对于电堆性能的影响,并利用多元回归拟合得到以电堆表面平均温度为因变量,以风扇工作电压和风扇工作距离为自变量的经验公式。研究结果表明:当风扇工作距离大于或小于其最优工作距离时,电堆性能均会发生衰减;当风扇处于最优工作距离时,电堆表面温度更加均匀,各单电池电压均匀性得到提高,并且此时所需的最优风扇工作电压更小。该研究对于提高空冷型PEMFC电堆输出性能、增加电堆运行稳定性、提高电堆系统效率等具有重要的指导和参考价值。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明：小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明：小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。     

PEMFC电堆动态工况响应性能试验

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆动态响应特性对PEMFC电堆的耐久性和可靠性具有很大影响。本文试验考察了PEMFC电堆在动态工况下的输出性能、单电池电压均衡性变化和动态响应特性。结果表明,在整个动态运行工况下,电堆运行良好,进出口冷却液温差小于5℃。电流阶跃变化时电堆电压均衡性出现突增变化,同时随着电流的增大,稳态时电堆均衡性变差。在超负荷（200A）运行工况下,电堆各单电池之间输出差异变大,均衡性持续变差,电堆中间和前端单电池电压明显降低。此外,在整个动态响应过程中电流阶跃上升时的电压最大下冲值比电流阶跃下降时的电压最大上调量大,但输出电压能在10s内达到相对稳定的状态（电压波动率＜0.02）。通过该研究,以期为实际车载电堆运行和控制优化提供参考。     

固体氧化物燃料电池的变工况特性

以大面积电池和千瓦级电堆为研究对象,在确定的燃料成分、流量、和工作温度下,系统研究了电流阶梯变化、电流脉冲变化、电堆热启停以及冷热循环(冷启停)等工况下电堆的输出性能。结果表明:在小电流区域,电堆的电压和功率能够快速跟踪电流变化;在大电流区域,电池的电压出现波动和弛豫,电堆的功率也出现弛豫。热启停实验结果表明,SOFC电堆对电流的on-off变化具有足够的耐受性,一定数量的热启停不会导致电堆性能的明显衰减。而冷热循环会导致应力释放,引起接触电阻变化,从而使电堆性能衰减,5次以上热循环可使应力释放趋于缓和。     

1.5 kW质子交换膜燃料电池堆动态工况响应特性

考察了自制1.5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态工况下的性能。研究了PEMFC电堆电压、功率、反应参数随车载工况运行出现的响应情况。发现在大电流密度下,由于各单电池的差异,电堆电压和功率出现比较明显的波动现象。在选定两个工况周期中,电堆各单电池电压的差异系数C_V最大达到4.23%,最高单电池电压和最低单电池电压相差0.106 V。数据分析表明在该动态工况下,PEMFC电堆的动态响应特性受到反应物和电堆温度变化、空气局部流量过大或不足以及电堆内部阳极和阴极出现明显压降等因素的影响。该研究不仅为后续耐久性测试提供分析依据,还对PEMFC电堆实际车载运行参数与控制策略的优化具有指导意义。     

氢气进气压力对空冷PEMFC性能的影响

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有自增湿、质量轻、系统操作简单等特点,适合应用于无人机等领域。氢气进气压力是影响空冷型PEMFC电堆性能的一个重要因素。以1 kW阴极开放式空冷型PEMFC电堆为研究对象,对比了不同氢气进气压力对单片电池电压及其一致性、电堆输出电压、输出功率以及氢气利用率的影响。研究结果表明,氢气进气压力越高,单片电池电压、电堆输出电压和功率越高,大电流下单片电池电压的一致性越好;此外,本实验利用排水法收集阳极尾气并计算氢气利用率,氢气进气压力越高,系统氢气利用率越低。     

大功率质子交换膜燃料电池电堆膜电极一致性研究

随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大,大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。大功率燃料电池电堆的电压一致性是衡量或影响电堆性能的重要指标。对某公司生产的65 kW大功率电堆进行了单电池一致性的研究,考察不同运行条件对于电堆一致性的影响,并对其产生的可能原因进行了深入的研究和讨论。研究结果表明：在额定功率和给定的运行条件下,电堆表现出了较好的一致性;电堆输出功率、电堆温度和温差、反应气体计量比、气体湿度等对电堆膜电极一致性均有较大的影响。其中输出功率、空气计量比、气体湿度对于电堆一致性的影响最为强烈,输出功率增高、空气计量比和空气湿度降低均会大幅度降低电堆的一致性。在研究结果的基础上,提出了保持大功率燃料电池电堆一致性的运行条件的建议。可为改善大功率电堆的设计和优化大功率电堆的运行条件,及促进我国燃料电池技术及产业的发展提供参考。     

逆电渗析热机新型工质开发及电化学特性研究

逆电渗析(reverse electrodialysis,RED)热机能够将低品位热能有效地转换为电能。作为热机的核心部件,RED电堆的性能直接影响热机的整体能量转换性能。为提升RED热机能量转换效率,通过开发一种由氯化锂、氯化铵与水混合形成的三元工质用于RED电堆,并与常规氯化钠水溶液对比探讨了进、出口溶液电导率和电化学性能。首先,测试了不同比例氯化锂与氯化铵混合水溶液作为RED电堆工质的电导率,并根据相关性能指标筛选出两种盐的最佳质量摩尔浓度比例为2∶8。然后,将此最佳比例下的溶液应用于RED。通过实验与NaCl水溶液对比研究了改变浓、稀溶液浓度对电堆进、出口溶液电导率和电堆内阻的影响。结果表明,适当增加进料浓、稀溶液浓度有利于降低RED电堆内阻,从而改善电堆性能。     

炭基输水板在氢质子交换膜燃料电池中的应用

炭基透水性多孔双极板具有优良的水热管理性能,电堆寄生功率小,材料强度要求低、密度小,为电堆提供内增湿和蒸发式冷却,在常压操作并具有大功率密度和长时间工作稳定性特点,可以直接快速响应负载要求,极板密封压力的降低也有利于膜组件寿命的提高.本文综述了炭基输水板的应用原理、制造技术和使用上的特点,分析其研究和工业应用现状,并对...     

基于动态模型的在线反馈优化

针对化工过程动态波动明显、优化模型存在较多的不确定性等特点,提出了一种考虑过程不确定性、基于过程动态模型的在线反馈优化策略。将过程动态模型按一定周期离散化为差分方程,基于差分方程进行动态优化,优化目标函数为优化时域的终端时刻的经济指标,优化变量为过程的操作变量,采用非线性规划作为优化算法;优化结果在实施后根据可测输出进行在线反馈,在优化模型的差分方程中引入误差修正项,将对应时刻的状态变量和相关变量的实际值代入可求出误差修正项,从而实现在线反馈优化。仿真结果表明,与传统的稳态操作优化相比,基于动态模型的反馈优化同样可将过程运行于最优操作点,同时具有很强的实时性,在外界干扰出现时可以立即作出反应,将过程推向最优操作点。     

高温质子交换膜燃料电池电堆稳定性分析与优化

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）应用前景广阔,但是目前HT-PEMFC电堆寿命较短。为此,本文对一个百瓦级空冷HT-PEMFC电堆的稳定性进行了研究。恒电流测试结果发现电堆中间位置单电池电压的衰减速率是两端的5～10倍。XRD、TEM测试结果表明电堆不同位置单电池催化剂Pt粒径变化较小,而极板吸酸量滴定与欧姆极化损失分析结果表明中间位置单电池磷酸流失速率是两端的2～3倍,导致其内阻是两端的5～8倍,膜中磷酸的流失迁移至电极导致氧增益电压比两端增加41～102mV。综上,电堆中间位置单电池磷酸流失过快是导致电堆寿命缩短的主要原因,而电堆温度分布不均则是磷酸流失过快的主要原因。因此,若要提高电堆的寿命,关键要从电堆磷酸与热的管理方面进行优化。