基于多点电压检测技术的燃料电池电堆一致性分析

燃料电池电堆中各单节电池的一致性直接影响整个电堆的性能输出和使用安全性.由于操作条件、单节电池的差异性以及内部环境的复杂性,导致电堆内存在局部电流和电压分布具有不均匀性和位置不确定性.采用双巡检系统分别采集了15节电堆阳极进口侧和阴极进口侧各单节电池电压,通过对比两侧电压差定位异常单节电池,并对该电堆进行一系列在线诊断和异常单节电池离线诊断.诊断结果表明,异常单节电池的阳极催化层中催化剂分布不均,从而证实了多点电压检测技术的有效性.通过对电堆进行多点电压检测,可以对各单节电池电压分布均匀性进行定性分析,帮助燃料电池系统通过采取相应的控制策略,及时识别出异常单节电池并做出反应.     

模拟车况下的质子交换膜燃料电池耐久性研究

为了研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在车载运行条件下的耐久性,介绍了3 kW的PEMFC电堆在模拟车载运行工况条件下的1 000 h耐久性实验.通过分析不同工作电流条件下的电压、电堆极化曲线以及单电池电压分布等随时间的变化来考察PEMFC电堆在模拟车况条件下的性能衰减情况,并借助于红外探温测试和TEM表征来阐明电堆性能衰减机理.研究表明:在模拟车况条件下工作1 000 h后.质子交换膜燃料电池堆在0、35 A及85 A工作电流条件下的电压都衰减了6%左右,单电池电压平均衰减率分别为39.1、23.0 μ V/h和23.3 μ V/h;电堆中各单电池的性能衰减存在空间差异;质子交换膜的损伤导致的气体穿透是引起质子交换膜燃料电池堆性能衰减的主要因素.     

基于改进BP神经网络的甲醇浓度间接测量方法

提出了一种直接甲醇燃料电池电堆中甲醇浓度的间接测量方法。该方法基于直接甲醇燃料电池(DMFC)电堆中单电池所表现出的电化学特性,根据电堆运行时的电流、电压和温度值,采用改进BP神经网络,实时计算出电堆中的甲醇浓度,在无需安装甲醇浓度传感器的条件下,实现了DMFC电堆中甲醇浓度的间接测量。实验结果表明该方法的相对误差精度范围为[0,1.96%],可用于微小型直接甲醇燃料电池阳极进料浓度的实时控制。     

PEMFC电池堆单体电池电压巡检系统开发与实验

设计了基于差分运放和光耦开关的硬件采样模块,以及基于Lab VIEW的算法程序、数据采集及界面控制的软件处理模块的燃料电池单电池电压特性巡检系统。该系统精度高、抗干扰性强、测试电压路数多,而且能实现数据的实时采集、显示和保存,并对电压异常情况进行警示。本系统已成功应用于百瓦级阴极开放式燃料电池堆的测试,实验证明具有良好的测试精度与稳定性。     

小型熔融碳酸盐燃料电池及电池堆的性能

以辊轧工艺制备的多孔金属镍板作阳极 ,多孔氧化镍板作阴极 ,以流延法制备的LiAlO2 陶瓷膜为电解质板 ,以(Li0 .62 K0 .3 8) 2 CO3 为电解质 ,组装了电极面积为 12 0和 3 12cm2 的单电池 ,考察了单电池在升温过程中开路电压和内阻的变化情况 ,以及不同的工作条件对电池和输出功率的影响。在单电池发电成功的基础上 ,分别组装了由 3片和 8片单电池构成的电极面积为 3 2 8.8cm2 的小型熔融碳酸盐燃料电池堆 ,并测定了电池堆的电压和输出功率。试验表明 ,随着工作温度的提高 ,单电池和电池堆的开路电压和输出功率均显著提高 ,并且 ,经过若干天的连续发电 ,其电压和输出功率基本不变 ,说明自制的LiAlO2 电解质板具有良好的热机械强度 ,而电极材料也保持了良好的电催化性能。试验还表明 ,在相同的工作条件下 ,由 3片和 8片相同的单电池组成的电池堆的电压和输出功率分别为单片电池的 3倍和 8倍 ,这表明使用该结构的单电池有望串联成输出功率更高的较大型的电池堆 ,以满足熔融碳酸盐燃料电池的基础研究之用。     

质子交换膜燃料电池热力耦合仿真分析

温度是影响质子交换膜燃料电池电堆性能的一个重要因素,尤其是车用质子交换膜燃料电池工况非常复杂,温度变化范围跨度较大(-30～80℃)。针对温度和装配压力的耦合效应,建立了质子交换膜燃料电池电堆热力耦合三维有限元分析模型,通过定义螺栓预紧力及设置不同温度场模拟热力耦合效应,分析了热力耦合效应对由三个单电池组成的燃料电池电堆中单电池层内及电池之间应力分布影响规律,为保证燃料电池电堆层内与层间应力分布均匀,提高电堆装配质量提供了理论指导。     

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。     

高功率薄型金属双极板PEM燃料电池堆研究

对高功率车用薄型金属双极板PEM燃料电池堆模块进行测试研究.电池堆模块可在空气压力110～300 kPa条件下工作,表现出良好的高、低压兼容特性.当空气压力300 kPa,电池堆温度70℃,工作电流350 A时,电池堆输出功率可达27.2 kW,其质量和体积比功率分别为777 W/kg和1 015 W/L.单电池电压方差求和计算结果显示,在工作电流50～120A的窗口区间内,单池电压具有相对最好的均匀一致性.在320A(约为1 A/cm2)放电电流下,使用纯氢/氧气的电池堆输出功率比使用氢/空气高出约10%.空气相对湿度影响测试结果,电池堆较低功率下,空气的相对湿度80%～100%为佳;而当高功率下,空气相对湿度80%为佳.另外,对4单体薄型金属双极板燃料电池短堆进行耐久性测试,累计超过2 900 h,平均单池电压衰减率约为10 mV/1000 h.     

质子交换膜燃料电池电堆低温起动的仿真研究

在假定条件下,将每片单电池分成10层,每层看成一个集总参数,在Matlab/Simulink软件搭建由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。在-20℃的环境温度下,当电堆的温度保温到0℃时,起动燃料电池电堆,加载标准低温起动工况进行仿真研究,并对单电池输出电压、电堆电池各层不同时刻温度和质子交换膜内水的迁移量随时间的变化进行分析。     

空冷型PEMFC阳极排气周期实验研究

针对不同负载和阳极排气周期,对自制的空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行实验。在实验过程中用单电池巡检系统监控各单体电池的电压,红外热像仪测量电堆表面的温度分布。在恒压输出模式下,随着阳极排气周期和负载的增大,单体电池的电压差逐渐扩大。当排气间隔为50 s(单体电池电压设定为0.6 V)时,平均电压最大偏差达0.2 V,出现该现象的原因是高负载输出时,如阳极排气不及时,更容易发生水淹。     

相对湿度对燃料电池电压衰减影响的渐进分析

为研究相对湿度对车用燃料电池电压衰减的影响,提出了电池阳极相对湿度(anode relative humidity,ARH)模型。建立了燃料电池计算模型和网格,将ARH模型移植到计算流体动力学软件(FLUENT)中,用于计算电池堆中电压衰减最快的单电池。针对C10(距离进气口最远的电池)在不同相对湿度时的FLUENT原模型、ARH模型和实验数值进行了对比分析。结果表明:ARH模型能较准确地计算C10的性能,在相对湿度为100%时,ARH模型比FLUENT原模型精确度提高了10%。为进一步优化燃料电池堆的水管理系统提供了新的思路。     

百瓦级一体式再生燃料电池堆研究

对百瓦级一体式再生燃料电池堆(URFC)的电性能和燃料电池(FC)/水电解(W E)双模式循环稳定性进行测试研究。所研制的百瓦级URFC电池堆双模式工作电性能优良,循环性能稳定。燃料电池模式工作条件下:电流密度为500 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.789 V,输出功率236 W;电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压0.681 V,输出功率409 W。水电解模式工作条件下:电流密度为1 000 mA/cm 2时,单体电池平均工作电压1.628V,产生标准状态下氢气的耗能量为4.26 kW h/m 3。电流密度为500 mA/cm 2时,URFC电池堆充放电循环电压效率为51.5%。单体电池电压方差和计算结果表明,在工作电流密度0～400 mA/cm 2的窗口区间内,单体电池电压具有相对最好的均匀一致性。在100 h/20次的FC/WE双模式循环试验中,URFC电池堆性能衰减平均为1.70%。     

质子交换膜燃料电池的电响应研究

通过暂态实测方法,研究了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的动态响应及电压建立。通过使用燃料电池测试系统、高精度示波器和自行设计的开关电路,在不同的运行条件下对PEMFC的电响应进行测量,实验结果证明PEMFC的动态响应和电压建立与其运行条件以及单体电池在电堆中的位置有非常紧密的联系。     

燃料电池Pt_3Pd/C电催化剂的表征与应用

采用自主开发的乙二醇制备方法对毫克级的实验室级别催化剂的放大制备工艺进行研究。将Pt3Pd/C合金催化剂的单次制备从0.1、1 g到10 g的逐级放大过程中,合金纳米颗粒的尺寸分布与形貌(TEM表征)、晶体结构(XRD表征)与电化学性质(循环伏安扫描与氧还原极化曲线测试),均保持良好的一致性。10 g级别放大制备的Pt3Pd/C在半电池测试中表现出良好的稳定性;在全电池测试过程表现出优于商业Pt/C的电催化性能;在组装的电堆模块及发动机系统表现出优于商业Pt/C电催化活性及稳定性,为车用燃料电池合金电催化剂的批量制备与电堆应用奠定了基础。     

一种车用质子交换膜燃料电池管理系统设计

基于Microchip公司的高性能数字信号控制器dsPIC30F6014A,完成了一种车用质子交换膜燃料电池管理系统的单膜电压检测单元CVU和电堆主控单元FCU的软硬件设计,开发了基于C语言的膜电极电压采集程序和管理系统主控程序,并且用样机验证了设计。     

熔融碳酸盐燃料电池电堆的输出电压模型

为保证熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)电堆可靠、高效和安全地运行 ,要求保持输出电压的恒定。根据MCFC电堆发电过程中物质与电量的平衡 ,分析了顺流型电堆的内部动态特性 ,就输出电压与燃料气体利用率和电流密度等相关量建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的数学模型 ,并从外部负载扰动的角度讨论了各状态量之间的相互关系。仿真结果证实了分析和建模的正确性。     

燃料电池的原理、技术状态与展望

论述了燃料电池的工作原理、综述了各种类型燃料电池的发展状态；介绍了中国科学院大连化学物理研究所自70年代以来进行燃料电池研究的概况，着重介绍了该所质子交换膜燃料电池的关键材料与部件制备技术，电池组技术、电池组性能与电池系统的应用情况，回顾了燃料电池的发展历程，指出燃料电池技术发展与其它学科的关系，提出了产业化的发展方向。     

Evaluation of Electrical Load Following Capability of Fuel Cell System Fueled by High‐Purity Hydrogen

This paper describes the electrical response in the load change in a fuel cell system fueled by high‐purity hydrogen. The purpose of this study is to use the fuel cell system to make up for the unstable electrical output of a photovoltaic system utilized as a renewable energy source. As an alternative method instead of a secondary battery, the fuel cell system, which is able to continuously generate power as long as fuel is supplied, is expected to provide better power with higher reliability and stability. To evaluate the load‐following capability of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) system, an experimental setup was constructed with a 200‐W PEFC stack (number of cells: 20; cell area: 20 cm²), which was supplied with hydrogen from a compressed hydrogen cylinder and a metal hydride canister. We measured the transient phenomena in the current and cell voltage when the PEFC stack was given step‐up current loads that changed in the range of 0 to 300 mA/cm². It was found that PEFC systems with both hydrogen supply sources are able to respond with a time constant of 6.6 to 11.6 µs in the presence of an adequate oxygen supply and at a load below the PEFC rated power. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 186(4): 37–47, 2014; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22353     

An investigation into a method of detecting the fault induced highfrequency voltage signals of EHV transmission lines for protectionapplications

A method is investigated for detecting the fault-induced high-frequency voltage signals of the EHV transmission lines for protection applications. The method is based on the principle of a power line carrier communication system using a stack tuner for detecting the high-frequency voltage signals in a particular frequency bandwidth. The digitally simulated fault responses of different frequency bandwidths in the kilohertz range and at different fault inception angles of the voltage waveform are studied     

车用PEMFC发动机超压问题的一种解决方案

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为电动汽车的发动机具有高效、快速启动、零污染等优点,但由于其自身内阻比较大,使得燃料电池堆从开路到最大功率输出电压的波动很大,很容易超出直流/直流变压器(DC/DC)输入电压的允许范围,给电池组的设计带来很大的束缚。通过备用电池堆调整燃料电池输出电压,并根据其极化曲线的滞回特性给出了具体的控制方案和实现电路的原理图,实验证明该方案解决了DC/DC的超压问题,并且具有实现简单,可靠性强等优点。