负载跟踪状态下的铝空气电池堆最优功率点优化方法

基于铝空气电池堆二阶等效电路,建立内阻特性和电气输出特性模型,研究操作条件对活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻和电堆总内阻的影响作用和变化规律;以电堆输出满足任意负载需求为前提,以总内阻最小为优化目标,基于“最优功率点”概念,提出一种基于粒子群算法的操作条件优化方法,获得最优工作温度、电解液浓度和输出电压等,实现电堆输出性能优化;通过仿真研究和实验研究,验证模型、方法的有效性和可靠性。研究结果表明:在负载跟踪状态下,电堆工作在最优功率点处其堆内总内阻最小;操作条件对电堆输出性能的影响作用和变化规律,在交流阻抗特性和U-I输出特性中的表现具有一致性;该优化方法能够提高电堆输出性能,减少堆内能量损耗。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

水冷PEMFC热管理系统流量跟随控制策略

针对传统温度控制策略在水冷型质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）工作中水泵和散热器风扇存在的强耦合性,并为了提高电堆的工作性能和寿命,提出一种流量跟随电流的温度控制策略,根据电堆电流变化调节冷却水流量来控制电堆冷却水进出口温差,通过PID控制器调节散热风扇控制电堆入口温度。在水冷PEMFC热管理平台上对传统控制策略、流量跟随控制策略做了实验对比。结果表明,流量跟随电流控制策略使冷却水出口温度最大超调量减少64.3%,冷却水出入口温差最大偏差减少46.7%,调整时间平均缩短73 s,达到了较高的控制精度和响应速度,削弱了水泵和散热风扇的强耦合作用,流量跟随电流控制策略能够满足PEMFC系统对温度控制的要求。     

Analysis of PEM fuel cell stacks using an empirical current–voltage equation

An empirical equation was developed to describe the electrode processes (activation, ohmic and mass-transfer) of PEMFC stacks over the entire current range. The potential–current and power–current curves of a strip PEMFC stack were fitted with the empirical equation under a variety of experimental humidity, temperature and stack length conditions. The concept of mass transfer impedance was defined mathematically in the present research. For the strip PEMFC stack, mass transfer impedance was only important at high currents. With decreasing humidity the mass transfer impedance increased considerably. With increasing temperature or stack cell number the mass transfer impedance increased only slightly.     

质子交换膜燃料电池电堆的动态热模型及其温度控制

A dynamic thermal transfer model of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack is developed based on energy conservation in order to reach better temperature control of PEMFC stack. Considering its uncertain parameters and disturbance, we propose a robust adaptive controller based on backstepping algorithm of Lyaponov function. Numerical simulations indicate the validity of the proposed controller.     

无人机用燃料电池系统性能分析

建立了无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）动力系统性能随大气环境变化的数学模型,通过Matlab进行仿真,分析海拔高度对PEMFC系统运行状况和热力学性能的影响。结果显示: 随着高度的增加,系统输出电压、输出电功率及系统电效率呈下降趋势;当高度一定时,随着电流密度的增加,系统输出电功率有最大值,但电堆输出电压和系统输出电效率下降;氢气进气压力的增大使系统的输出电压、电功率和电效率逐渐增大;为了提高燃料电池系统在一定高度下的性能,需要选择合适的电流密度和较高的氢气进气压力。     

Characterization of a Ballard MK5‐E Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack

We present the results of an experimental investigation of the energy balance of a Ballard MK5‐E proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack. We have investigated the transient phenomena that occur during PEMFC stack warm‐up, under load switching, and when the PEMFC stack is connected to a DC/AC inverter. A simple and convenient model describing the polarization curve as a function of the temperature is presented and validated by our experimental data. We also present experimental results on the increase PEMFC stack performance as a function of the current density for different oxygen concentrations of the oxidant gas.