车用PEMFC电堆典型道路工况低温起动试验研究

为评价质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆低温起动性能,搭建PEMFC电堆低温起动试验台,制定典型道路工况,起动PEMFC电堆进行试验,对其加载典型道路工况,开始阶段使PEMFC电堆在小负荷暖机工况运行.对PEMFC电堆输出不同特性曲线进行深入分析,试验证明当PEMFC电堆最外层电池阴极催化层温度降到0℃时能够成功起动并运行,为PEMFC电堆的商业化运行提供一定技术支持.     

PEMFC电堆的三维热力耦合数值仿真

以典型质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆为研究对象,结合计算流体动力学与有限单元法建立了多级PEMFC电堆的整体三维稳态热力耦合模型,分析了电堆在不同工作状态时温度、应力及膜电极(MEA)表面接触压力的分布形式和变化规律.结果表明:电堆在封装载荷的作用下,主要沿封装方向单向变形,其余两个方向的变形可以忽略不计;封装好的PEMFC电堆工作前,膜电极(MEA)表面接触压力呈非均匀分布,压力数值从MEA边缘向中心区域递减;当电堆稳态工作后,在结构热应力的影响下,MEA表面接触压力的不均匀性得到缓解,但接触压力数值将损失约20％.     

基于LS-SVM辨识的PEMFC动态建模及仿真

为便于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的动态仿真和控制方案的设计,试图绕开PEMFC的内部复杂性,基于最小二乘支持向量机(LS-SVM),在质子交换膜100%增湿情况下,建立PEMFC输出电压与温度特性的动态模型。模型以负载电流为输入,以PEMFC电堆的输出电压与温度为输出。通过MATLAB仿真对所建LS-SVM辨识模型的有效性和精度进行检验。与电流发生阶跃变化时PEMFC的输出电压和温度实验数据相比,该LS-SVM辨识模型具有较高的建模精度。     

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系统运行特性

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、零污染的发电技术,能够将氢气的化学能通过电化学反应直接转化为电能,在家用热电联产、备用电源、新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。电池堆是PEMFC系统的核心部件,系统结构及集成工艺对燃料电池堆性能影响显著。本文针对PEMFC系统结构、气路子系统、增湿子系统、热管理子系统、控制子系统分别进行了阐述,并实验测试了自消耗情况以及系统启动温度、系统稳定运行温度等因素变化时电池堆的电流-电压曲线,获得了PEMFC性能变化规律。实验结果表明:PEMFC系统的启动温度和稳定运行温度对电池性能有较为显著的影响,当系统启动温度约为25℃、稳定运行温度为50~60℃时,电池堆性能达到最优值。该结论可为优化质子交换膜燃料电池堆性能、提高电池系统运行稳定性提供依据。     

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。     

PEMFC的动态特性分析及其PID控制

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)控制系统的非线性、时滞性、复杂性等特点,利用Matlab/Simulink仿真软件建立PEMFC电堆工作仿真模型。在此基础上,采用比例积分微分(PID)算法控制器控制电堆的输出电流。讨论了当电堆输出电流出现阶跃变化时,电堆输出电压、输出功率以及电堆效率的动态响应,并对仿真结果进行了比较分析。仿真结果表明,该模型能够较好地反映PEMFC系统的动态性能,采用的算法具有较好的鲁棒性,有助于改善PEMFC控制系统的设计,提高其性能。     

微型PEMFC非增湿膜电极的优化

对微型质子交换膜燃料电池(PEMFC)的非增湿膜电极(MEA)制备工艺进行了优化研究.通过对热压条件、催化层组分、扩散层材料及质子交换膜的厚度等的控制,获得了综合优化参数.采用优化后的MEA组装单体微型PEMFC,在常温、常压及反应气体非增湿的条件下,MEA的峰值功率可达0.166 W/cm2,MEA长时间运行性能未见明显衰减.     

8单体自呼吸式微型PEMFC电堆设计与性能

设计了一种可在常温常压下操作的准双极性微型质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆。利用Nafion117质子交换膜横向电阻大、密封性能好的特点,在同一质子膜上一次热压形成4单体膜电极(MEA),同时利用点状流场分配氢气燃料的均匀性,在特种有机玻璃基体上首次组装了体积仅为59mL的8单体氧电极自呼吸式微型PEMFC电堆。极化实验表明,在常温常压、反应气无增湿的条件下,该电堆可输出4.26W的峰值功率,单体间性能基本相同,大电流密度下连续运行无明显的水淹(Flooding)问题,适合应用于便携式电子产品。     

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电气性能实验及建模研究

质子交换膜燃料电池 (PEMFC)是很有前景的新型电动车动力电源 ,而电动汽车对动力电源的性能尤其是动态性能有较高要求。针对电动汽车动力系统的需求 ,采用在LABVIEW平台上开发的便携式测试系统对PEMFC实验系统在不同温度下的电压 电流特性、动态性能、过载能力、起动特性等电气性能进行了测试。实验结果表明 ,受试PEMFC系统在宽温度范围内均可输出额定功率 ,并有较快的动态响应速度。在实验基础上 ,采用最小二乘曲线拟合的方式 (部分借助MATLAB的IdentificationToolbox)建立了简便实用易于实现的PEMFC系统电气物理模型 ,着重考虑了电池温度及负载工况变化时电池系统的静态和动态性能。仿真结果表明 ,模型可以较好地描述PEMFC电池系统的电气特性尤其是动态响应特性 ,可为PEMFC电池系统及管理系统设计、优化和驱动系统设计提供参考。     

Experimental Validation of a State Model for PEMFC Auxiliary Control

This work aims to validate experimentally a state model for a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) system control. In this model, the air-supply dynamic is analyzed. The air is assumed to be compressible, and the model takes into account the compressor, the humidification device, the inlet and outlet manifolds, the fuel-cell stack, and the proportional solenoid valve at the outlet. This model is described by the following variables: the total mass flow, the pressure, the temperature, and the relative humidity. The effect of the air-supply device on the system's behavior (stack voltage$ldots$) is analyzed and validated on a 600-W power PEMFC fuel experimental data. The model results fit well with the experiment and it will help to optimize the stack net power.      

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。     

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。     

PEMFC发动机输出功率瞬态响应仿真研究

结合质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机的工作原理,建立电化学模型。在此基础上,利用MATLAB/SIMULINK软件平台建立电池的瞬态响应仿真模型。不考虑空气系统的时间滞后,影响电池动态响应时间的主要因素为扩散浓差极化,它限制了电流的变化率。以MarkV型发动机为实例,通过分析负载突变的情况下PEMFC发动机输出功率的瞬态响应特性,得出结论为燃料电池的电化学反应时间常数相对较小,从30kW到50kW突变负载时为122ms(误差为5%)。     

质子交换膜燃料电池堆电气性能试验研究

对5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的电压一电流特性、温度特性、压力特性、反应气体计量比特性等进行了测试.并从电化学热力学和动力学两个角度初步分析了各运行参数对电堆性能的影响机理.试验表明,适当升高温度和反应气体压力有利于改善PEMFC电堆的性能,氢气、空气计量比分别为1.2和2.5时,该电堆性能最好.     

氢空PEMFC发动机的几个须关注的问题

针对一个2.5kW氢空质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆,研究了不同负载下电堆侧面的温度分布、不同温度下电堆极化曲线、以及不同电流时单电池电压的变化。实验表明,PEMFC发动机设计中以下几个问题应该予以关注(1)电堆温度分布具有明显非均匀性,中心温度一般比边缘高,减小温度不均匀性对于充分发挥电堆性能具有重要意义;(2)低温下电堆性能比高温低很多,并且低温大电流时电堆难以稳定,这增加了发动机低温启动难度;(3)单电池一致性的提高,可以提高电堆性能,减小辅助系统功率和体积。     

空冷自增湿PEMFC测试平台设计

为便于对空冷自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能测试及控制算法设计,基于工控机、Lab VIEW及USB数据采集模块设计了一种通用开放式空冷自增湿PEMFC测试平台,用于对空冷自增湿PEMFC性能测试及控制算法设计与验证。测试平台通过USB数据采集模块采集PEMFC电堆的温度、输出电流、输出电压等参数,实时显示电堆当前状态参数曲线,并输出相应控制信号控制电堆稳定运行。经实验验证,该测试平台运行可靠,监控性能良好,实用性强,为研究空冷自增湿PEMFC的性能与控制算法设计提供了开放式测试平台,具有很高的实用价值。     

质子交换膜燃料电池的温度实验分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)温度对发电性能的影响很大.通过自行开发的1 kW PEMFC的温度控制实验,对其温度特性进行了详细分析,提出了温度控制的模型.     

基于BP神经网络的PEMFC稳定性及动态性预测

研究了PBI/H_3PO_4体系高温质子交换膜燃料电池(PEMFC),将其在不同压力、温度、阴极气体和负载下的稳态电位响应数据及该体系对压力变化、温度变化的动态电位响应数据作为训练数据,建立以Matlab/Simulink和BP神经网络为基础的高温下PEMFC的稳定性能和动态性能的预测系统。通过所建立的神经网络模型对电池的稳态电位输出和动态电位响应进行模拟,结果表明,所建立的模型可以对电池的稳态及动态行为进行准确模拟,这为PBI/H_3PO_4体系高温PEMFC的控制及性能预测提供了一定的参考。