阳极水含量对车用燃料电池性能影响

为了研究质子交换膜阳极水含量对燃料电池性能的影响,提出了一个质子交换膜水含量(MWC)计算模型。该模型考虑了阳极气体在电池内部有压力下降的现象,将压力降和水分活度引入水含量计算。将此模型移植到计算流体力学软件(FLUENT),建立了计算网格并对燃料电池进行了仿真计算。建立了燃料电池试验测试系统,给出了燃料电池试验参数并进行了性能试验。对电池在65℃、相对湿度为70%和100%的FLUENT原模型、MWC模型和试验值下的极化曲线进行了比较分析,结果表明:模拟极化曲线与试验极化曲线吻合良好,MWC模型比FLUENT模型能够较准确地预测燃料电池的性能,尤其在65℃、相对湿度为75%情况下,MWC模型比FLUENT模型精确度提高了10%。     

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.     

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%。     

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.     

质子交换膜燃料电池内部水含量特性分析

为研究水含量变化对燃料电池性能的影响,建立了质子交换膜燃料电池冷凝率(RW)模型。该模型利用切换函数确定了蒸发和冷凝的比例关系,考虑了两相流变化和压力降对燃料电池冷凝率的影响。将RW模型通过自定义函数(UDF)导入FLUENT软件中,搭建了实验测试平台,对工作温度60℃、进气相对湿度100%、进气压力分别为10和20 kPa工况下的RW模型、Fluent模型和实验值进行比较分析,结果表明:随着进气压力增加,冷凝速率提高,电池内部水含量明显增加;当工作温度为60℃、进气压力为10 kPa、电流密度为260 mA/cm~2时,相较于实验值,RW模型精确度比Fluent模型提高了21%;在进气压力为20 kPa时,RW模型比Fluent模型提高了31%。     

不同进气相对湿度下PEMFC进气加湿效率分析

为研究不同进气相对湿度下PEMFC的加湿效率,提出了进气加湿效率(IHE)模型。该模型认为燃料电池中的水由两部分组成,并推导出进气加湿效率计算公式。建立几何模型并划分计算网格,将IHE模型导入Fluent中进行计算。建立燃料电池测试系统,对工作温度为70℃,进气相对湿度分别为55%和85%的工况进行了实验。并比较分析了Fluent模型、IHE模型和实验值,结果表明:工作温度为70℃,进气相对湿度为55%,电流密度为350 mA/cm2时,IHE模型精确度比Fluent模型提高15%;在进气相对湿度为55%时,电池进气加湿效率达到52%。     

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。     

阳极压力降对质子交换膜燃料电池性能的影响

为了研究阳极压力降对质子交换膜燃料电池性能的影响,提出了一个新的相对湿度-压力降(RHPD)模型。RHPD模型考虑了由阳极含水量变化引起的质子交换膜燃料电池阳极压力降变化的现象。将RHPD模型通过自定义函数导入Fluent中,完成燃料电池在不同工况下的仿真计算。对工作温度为60℃,阴极相对湿度为50%,阳极相对湿度分别为25%,50%,75%下的电池性能进行了测定。通过比较Fluent模型,RHPD模型和试验数据三者发现:相对湿度为25%,电流密度为445 mA/cm~2,RHPD模型和试验值数据间仅存在0.11%误差。     

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。     

固定电站用燃料电池系统性能衰减的规律

对某固定电站用燃料电池系统在恒负载条件下的性能衰减规律进行了研究.电压和功率随着运行时间的增加线性衰减,电堆和单体电池的电压衰减速率分别为0.042 V/h、0.37 mV/h,电堆和辅助系统的功率衰减速率分别为2.8 W/h、0.4 W/h.经过150 h的运行,燃料电池堆的稳定性和单体电池的一致性下降,燃料电池系统的效率下降3％;电堆性能受限于性能最差的单体电池;辅助系统功率是影响系统效率的主要因素.     

燃料电池单电池电压检测系统设计

燃料电池堆各单电池电压反应了整个电堆和辅助系统的工作状态。通过检测单电池电压,能及时发现电堆工作的异常状况。设计一种燃料电池电压检测系统,将差分放大和多路选择开关结合运用于电堆每片单电池电压的检测中,设计该系统的组成、硬件电路和软件流程。该系统作为燃料电池运行状态检测系统的一部分,在50W的燃料电池发电系统上试验,达到了良好效果。     

燃料电池组的气体分配管道

对燃料电池组中气体分配管道的不同设计、不同气体流向以及气体分配管道数学模型的文献作了综述。气体分配管道的设计根据体积比功率、密封与绝缘的难易程度以及造价等影响因素综合考虑 ,内置型气体分配管道及其改进型为气体分配管道在设计上的发展方向。而气体分配管道的数学模拟还需要进一步完善 ,制约其模型准确性的关键因素为模型方程的求解技术。有必要对燃料电池的气体分配管道的计算机辅助设计软件进行研究与开发。     

氢-空气质子交换膜燃料电池系统建模与分析

根据氢-空气燃料电池系统组成,建立了燃料电池系统数学模型。通过模型计算得出环境条件、电堆温度、空气流量参数对系统效率的影响关系。计算结果表明,除了在高温或高湿条件下,环境条件的改变对系统效率的影响较小;高温或高湿条件有降低系统效率的趋势。电堆温度对燃料电池系统的效率有显著影响。温度从30℃升高到80℃时,系统效率逐渐增加。低负载时,空气流量对系统效率的影响比较显著。流量增大时,系统效率下降,流量超过30SLPS时,效率下降接近于零。     

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。     

100kW燃料电池发电系统水热模块设计与模拟

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)在分布式发电领域具有广泛的应用前景,不仅能够为小范围区域提供电力,还可以利用燃料电池发电过程中产生的热量对外供热。本文以100 k W燃料电池发电系统为研究对象,对系统中电池堆、功率变换器、控制器、辅助部件等模块的功能和参数进行了设计,重点对系统的水热模块进行了模拟,研究了电堆进气相对湿度(RH)、操作温度、操作压力、冷却温度对系统水热平衡的影响。     

喷射器在燃料电池阳极循环回收系统中的应用

在燃料电池阳极系统中,使用喷射器装置将阳极未反应完的燃料循环回收,可以在保证燃料充分供应的同时,避免由于燃料浪费而导致整个系统效率降低。在完成喷射器的设计和模型之后,将其与燃料电池及其他装置集成,实现了完整的燃料电池阳极循环回收系统模型。在MATLAB/SIMULINK环境里,采用比例-积分-微分(PID)方法控制阳极的湿度和压力,实现了燃料电池阳极系统的实时仿真运行,运行性能稳定。     

便携式PEMFC移动电源系统的设计与研究

针对便携式通信电源的实际需要,结合小型燃料电池发电系统的技术发展,提出了小型化、轻便化、模块化的质子交换膜燃料电池(PEMFC)移动电源系统的总体设计方案。设计中,采用常压空气作为氧化剂,采用固态可逆金属储氢器来存储、供应氢气,限定氢气的流速与压力稳定在最佳工况值;利用散热风扇、外加散热片和小型增湿器来调节电池堆内部的温、湿度;采用大电容续流、直流斩波加脉宽调制的方式来实现稳压输出;采用以单片机为核心的控制单元来实现系统各单元的协调控制。最后研制了实验型样机,通过对其单项性能和实际负载能力的测试,发现其供电平稳,可靠性较高,达到了预期的设计目标。     

高温低湿单片燃料电池城市工况循环测试

将短支链全氟磺酸膜(SSC-PEM)用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。这种膜对高温低湿(90℃,50%RH)环境具有良好的适应性。这样的设计使电池可以适应高温低湿的环境,进而简化加湿器和温控系统的设计,对燃料电池应用于汽车十分有利。对这样的单电池进行了250 h的车载城市工况循环测试,其中包括三次使用了低湿度气体的重启。之后的20 h则进行了频繁的启停实验。实验后,进行了气体扩散层的接触角测量和催化剂的透射电镜扫描。