动态响应对质子交换膜燃料电池性能影响研究

基于工况变化复杂,动态负载对车用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发动机的影响备受关注。由于其动态特性,燃料电池动态输出在一定程度上影响着电池的性能和寿命。研究PEMFC单电池在动态负载变化时的动态特性,通过瞬态测试方法,结合理论分析,对PEMFC动态响应特性的多个方面进行研究。研究了气体流量、加湿度等操作条件对PEMFC动态响应的影响。结果表明,当阴极空气化学计量比大于3时,在低电流密度区,PEMFC低调差别不明显,高电流密度区由于水的堆积,依然有较大差别,电流密度阶跃越大,其差别越大;阴极空气加湿湿度太低或者太高都会引起PEMFC动态响应的较大变化,PEMFC的动态响应性能在高于50%但是小于100%加湿,会达到一个很好的动态响应性能。     

基于Matlab/Simulink的PEMFC建模与非线性控制

建立了质子交换膜燃料电池动态多输入多输出模型并基于反馈线性化方法设计了适用于该模型的非线性控制器。由于燃料电池阳极和阴极气体之间过大的压力差会引起质子交换膜严重损坏,所以需要设计一个相应的控制器以保证电池外接负载发生较大变化时两极气体压力差尽可能小,同时也能达到延长电池使用寿命的目标。在Matlab/Simulink软件环境下,将所建立的燃料电池动态模型、基于微分几何的非线性系统的反馈线性化方法和一般模型控制(GMC)理论结合进行仿真研究,结果表明该系统可以模拟燃料电池的瞬态响应性能并对质子交换膜形成有效的保护。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

燃料电池系统膜加湿器的研究进展

介绍了燃料电池系统膜加湿器的结构形式及流道设计,分析了加湿膜的水传输特性并对几种不同的膜及其特性进行了比较。系统综述了实验条件下气体流速、温度、压力、相对湿度及其他因素对膜加湿器加湿性能的影响,探讨了今后膜加湿器研究的方向。     

高温质子交换膜燃料电池堆的建模与仿真

高温质子交换膜燃料电池相较于传统质子交换膜燃料电池具有更快的电化学动力性,简易的水热管理以及较强的耐CO能力等优点,因此已成为燃料电池研究工作的新热点。建立了高温质子交换膜燃料电池堆的模型,研究单电池数量、电流密度、阳极进气湿度等因素对电池堆性能的影响。研究表明,Z型结构电池堆内阳极气体质量流量分布比较一致,阴极气体质量流量分布呈中间低,两侧高的趋势。单电池数量、电流密度的增大会引起气体分布不均匀性的增强,进而使电池堆电压不均匀性增大;阳极进气湿度的变化主要影响电池欧姆损失。     

反应气体加湿对PEMFC膜温度的影响

质子交换膜燃料电池内部水对交换膜的温度分布有着极为重要的影响,从而对燃料电池性能有着重大意义。以交指型结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.5 V对应的工作电流密度下为例,分析研究了阴阳极不同加湿程度对膜温差的影响以及阴阳两极加湿对电流密度和膜的温度的影响的比较。数据表明,阴阳极的加湿对于膜的温差有很大的影响,且在较低加湿条件下阳极比阴极加湿更能改善电池的性能和膜的润湿程度。     

四流道蛇形流场孔隙率对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池内部结构对交换膜的性能有着极为重要的影响,而孔隙率又是燃料电池结构的重要组成部分。以四流道渐变蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.8 V的条件下,对孔隙率分别在0.750、0.625、0.500、0.375、0.250情况下的质子交换膜燃料电池进行模拟分析和数值比较,研究流道内气体流速和沿流道方向的压力分布情况,以电池输出电流密度为参考标准,研究孔隙率对电池输出性能的影响。     

加湿对PEMFC性能的影响

研究了在重力作用下,反应气体的湿度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响.通过控制加湿温度,控制反应气体的相对湿度;通过改变阴极和阳极的相对位置,来改变PEMFC内部的水管理.阳极不加湿(阴极加湿)时,PEMFC的性能最差;阴极不加湿(阳极加湿)时,PEMFC的性能最好.阳极在上时,重力对阴极排水有积极的作用;阴极在上时,重力阻碍阴极排水.     

PEM燃料电池动态特征的仿真分析

运用Fluent的PEM模块对质子交换膜燃料电池在改变气体湿度、流量以及电池负载条件下,电池的动态特性进行仿真分析.结果表明,燃料电池具有快速的动态响应能力,改变供给气体湿度的情况下,1 s内达到几乎稳定状态,在3 min内达到新的稳定状态.而且,膜的湿度对电池的动态性能影响很大.适当提高空气流速,可以有效地提高排水能力,提高电池的性能.中、低电流密度下,空气流速对电池的动态性能和动态响应能力影响不大;高电流密度下,空气流速对电池动态性能和响应能力有显著影响.     

加湿度对薄型质子交换膜膜电极性能的影响

采用不同厚度(15和25 mm)的质子交换膜制备了两种膜电极,并研究了加湿条件对其性能的影响。测试条件为:电池温度65℃,背压H2/Air:100 k P a/100 k P a,气体流量H2/Air:1.5/2.5。结果表明:在阳极加湿度为80%、阴极加湿度为100%时,15 mm质子交换膜制备的膜电极性能远高于25 mm质子交换膜制备的膜电极。但对于15 mm质子交换膜制备的膜电极,降低阴阳极的加湿度可以进一步提高其性能,在高电流密度下,阳极20%加湿和阴极低加湿(30%)的情况下,电池性能最好。且水管理对电池性能的影响,主要取决于阴极的加湿情况。     

车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望

氢气供应系统(Hydrogen Supply System,HSS)的调压、排水、排气、加湿作用对于提高质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)的性能与寿命有着重要影响。通过对比目前国内外燃料电池系统采用的不同氢气供应系统的结构及性能,分析了不同氢气供应系统的优缺点及对燃料电池系统性能的影响,最后指出了未来高性能质子交换膜燃料电池系统中氢气供应系统的研究和发展方向。     

质子交换膜燃料电池测试系统的设计与搭建

为了系统研究质子交换膜燃料电池在不同氢气流量、氧气流量和负载等情况下的电池性能及其规律,设计并搭建了用于测试质子交换膜燃料电池性能的实验系统。介绍了整个实验系统,包括阴阳极供气系统、加湿器、超温检测和氢气检测报警系统等,给出了实验系统的调试和实验方法。搭建的测试系统可根据不同的工况要求进行适当改动来实现大量程的应用,具有良好的灵活性。     

风氢耦合发电系统建模与分析

通过分析风氢耦合发电系统和各关键设备的工作原理，建立了风力发电模型、碱式电解槽模型、压缩机储氢罐模型以及质子交换膜燃料电池模型。研究了碱式电解槽工作温度对其输出电压、电流和功率的影响，质子交换膜燃料电池工作温度和阴阳两极气体压力对其输出电压和功率的影响，从而分析了制氢模块和发电模块的工作性能对风氢耦合发电系统性能的影响。通过模拟仿真研究风速、碱式电解槽工作温度和质子交换膜燃料电池工作温度对系统发电量的影响。结果表明:适当提高碱式电解槽的工作温度可增大其工作电流，从而提高制氢模块的制氢量；提高质子交换膜燃料电池的工作温度和阴阳两极气体压力可提高其输出电压和输出功率，从而增加发电模块的发电量，进而提升风氢耦合发电系统的工作性能。     

车用PEMFC动态响应仿真分析

针对频繁变载易导致车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能下降、寿命缩短等问题,利用MATLAB/Simulink软件建立燃料电池发动机模型,研究燃料电池在不同影响因素下电压的动态响应,并在新欧洲行驶循环(NEDC)汽车工况下进行仿真分析.当反应温度为80℃、阴阳极气体分压均为300 kPa且膜含水量饱和时,燃料电池电堆输出电压较高,动态响应性能较好.仿真结果表明,反应温度、气体压力、膜含水量、加载速度和加载幅值等因素,会对燃料电池的动态响应性能产生影响.     

质子交换膜燃料电池水、热、气管理

质子交换膜燃料电池的水、热、气管理对其性能和寿命有非常重要的影响.讨论了水、热、气管理的主要措施和它们对电池性能的影响.分析表明:对质子交换膜燃料电池物理机制认识的不足,是水、热、气管理水平较低的原因.应建立质子交换膜燃料电池的多尺度、多相、多物理场、动态仿真模型,进行分析、模拟和优化,来提高其性能.     

燃料电池在非对称加湿下性能分析

为了分析在非对称加湿下质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的性能,考虑了压力降并推导了饱和蒸汽压计算公式,提出了湿度(RH)模型。建立了三维几何模型,并且将RH模型嵌入Fluent软件进行仿真计算。搭建燃料电池测试系统,对PEMFCs进行阴阳极非对称加湿操作。结果表明,采用非对称加湿操作,更加灵活方便的达到燃料电池最优性能;采用RH模型的仿真与试验结果吻合,在75%ARH(阳极湿度)和100%CRH(阴极湿度)下,电流密度560mA/cm2时,仿真值和试验值几乎没有误差。     

阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能的影响

建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值方法计算了阳极入口气体不同加湿情况下,电池阴阳极侧水沿流道方向的分布,并得到不同工况下的燃料电池极化曲线。计算结果表明,有效的阳极加湿能提高电池性能,但阳极含水过高会使阴极反扩散受到抑制,从而使阴极含水量过多,甚至出现电极溢流现象,可见阳极加湿过量会加剧高电流密度下电池的浓差极化。     

质子交换膜燃料电池（SOFC）发电系统性能及应用

1系统性能 质子交换膜燃料电池（PEMFC）发电系统一般以氢气为燃料．以空气为氧化剂。电池堆内产生的热量由空气来进行冷却,再利用电池堆阴极出口的气体对反应气体进行加湿．并采用氢气循环的方式对电池堆进行加湿。     

基于PFDL的阴极开放式PEMFC系统无模型自适应预测控制

为使得阴极开放式质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的运行保持最优输出性能,提出一种基于偏格式动态线性化的无模型自适应预测控制策略,实现电堆的性能优化。通过偏格式动态线性化的方法,将阴极开放式PEMFC这一非线性时变系统等价转换为动态线性化数据模型,继而实现对非线性控制对象的控制。在搭建的测控平台上进行实验,验证动态线性化数学模型的正确性以及控制策略的可靠性。通过与传统的PID控制策略对比,所提出的控制策略能够快速准确地使电堆输出较高的功率,证明了该控制策略具有优越性同时使得系统具有较好的动态性能,有利于质子交换膜燃料电池的长远稳定运行。     

蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟

为了研究蛇形流场质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出性能,分析其性能的影响因素,寻找改善其性能的方法和途径。基于多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,建立了包括阴阳极流道、扩散层、催化层及质子交换膜在内的完整的PEM燃料电池三维全流场稳态模型,在COMSOL中利用该模型对蛇形流场PEMFC进行了数值模拟和分析。模拟结果得出了在工作电压为0.7 V的条件下,蛇形流场的流型以及质子交换膜的电导率对PEMFC输出性能的影响。分析表明三蛇形流场的性能优于单蛇形流场;随着质子交换膜电导率的增大,膜内传质得以改善,可以降低传质过程中的电阻损耗,提高燃料电池的性能。模拟结果对于改善PEMFC整体性能有着重要的指导意义。