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.     

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.     

频繁启停对质子交换膜燃料电池堆性能的影响

以活性面积为330 cm2的电堆为研究对象,考察质子交换膜燃料电池(PEMFC)经历频繁启停操作后的性能衰减。反应气体的分布不均匀,会造成单片电池电压在氮气吹扫过程中下降速率不一致,甚至出现某一片或者几片电池出现反极的现象;PEMFC电堆在经历频繁的启停循环后,性能下降,且高电流密度区的电压衰减更快;随着启停循环的增多,性能的下降会变慢。当电流为100 A时,经历500次启停循环后,前200次启停循环的平均电压衰减速率为后300次衰减速率的3倍,而电堆中单片电池的均一性并未明显恶化。     

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。     

全钒液流电池堆旁路电流的计算及电堆优化

采用对电堆内流道电路仿真计算的方法,分析了5kW级全钒液流电池堆在不同充、放电电流条件下,旁路电流的分布情况和对能量效率的影响.分析结果表明:(1)较大电流充放电有利于提高电堆理论库仑效率和能量效率,在50A、100A和200A电流充电时,电堆理论库仑效率分别为:90.66％、95.2％和97.49％;(2)增加电堆中间隔板结构,有利于减少旁路电流,提高电堆能量效率;(3)对电极液框优化设计可以提高电堆库仑效率.     

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％.     

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.     

质子交换膜燃料电池低温起动方法的仿真研究

在一定假设条件下,将每片单电池分成10层,每层看成一个集总参数,利用Matlab/Simulink软件搭建了由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。采用不同的起动方法使电堆达到低温起动条件,对电堆的低温起动特性进行仿真分析,得到不同低温起动方法的电堆内部温度分布规律和其自身起动的所需时间,为燃料电池电堆低温起动的商业化提供技术支持。     

催化反应方法辅助PEMFC低温启动的研究

利用催化反应对质子交换膜燃料电池(PEMFC)冰点下环境启动进行了探究。对复合板短堆的低温启动过程进行热平衡计算,在不同温度下对复合板短堆进行低温启动实验,成功实现了-36℃低温启动;比较了不同材质双极板电池的启动情况。通过分析30次启动前后的极化曲线变化,得出结论:催化反应产生的热量可以使电池实现低温启动,且对电池性能没有影响;增加混合气气体流量能够实现更低环境温度的启动,且各节温度分布均匀;传热快的金属板电池比复合板电池可以更快地启动。     

全钒液流电池支路电流的理论计算及实验分析

提出了钒电池支路电流计算方法,采用MATLAB软件对不同结构7.5 kW钒电池的支路电流进行了理论计算,分析了支路电流的分布规律及影响因素,并对7.5 kW钒电池进行效率测试,结果表明:支管上的支路电流在电堆中心最小,而总管及主路上的支路电流在电堆中心为最大值,同时单电池个数减少有利于减小支路电流;采用模块化结构的7.5 kW电堆(由2组共30个单电池串联而成,即15个单电池组成一个模块)的支路电流明显降低,其能量效率达到74.4%,高于一体化结构电堆(由1组共30个单电池串联而成,即每组30个单电池)的能量效率(69.4%)。     

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.     

不同温度下磁场对PEMFC的工作性能影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧垂直加载410 mT磁场,考察不同气体温度下磁场对PEMFC工作性能的影响。结果发现:PEMFC在加载磁场后的工作性能优于不加载磁场的电池性能,当工作温度为45℃时,磁场提升PEMFC功率密度最大,达到14.4%。当PEMFC阳极侧和阴极侧采用不同温度条件时,加载磁场后PEMFC的工作性能提升幅度有很大不同,不加磁场时,氢气侧65℃、氧气侧45℃时的极化曲线斜率比氢气侧45℃、氧气侧65℃时的大很多,但加载磁场后,两者之间的斜率差缩小,表明磁场对电池内部氧气传质影响大于对氢气的影响。     

以重整气为燃料气的PEMFC电堆性能

与使用氢气为燃料气相比,以重整气作为质子交换膜燃料电池的燃料气可以避免氢气储存与运输的不便,更可以增加PEMFC的适用场合和范围.研究了常压与加压条件下重整气中N2和CO2组分对PEMFC电堆的影响,结果表明N2和CO2主要是降低了H2的分压,对电池性能影响较小.针对CO组分,研究比较了阳极注氧和外部净化对电池抗CO能力的影响,结果表明这两种方法都有明显的抗CO效果,相比之下外净化的效果更佳.同时,考察了电堆在重整气氛围下的稳定性,进行了1 500 h的寿命实验,实验结果显示电压衰减速度为19.21 μV/h.     

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。     

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%)。     

风冷质子交换膜燃料电池的运行特性

风冷电堆简化了常规电池电堆的冷却和供气系统,使其便携性能得到了极大的提高.通过组装19片风冷燃料电池堆,研究了不同的风量、运行温度以及阳极尾气排放方式等对电池性能影响.结果表明:风冷电堆运行风量过大或温度过高会导致膜失水而降低电池的性能,同时阳极尾气采用脉冲排放时能提高电池性能并降低燃料的消耗量.     

基于灰色预测的空冷型PEMFC发电系统实时最优温度无模型自适应控制

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的输出性能受工作温度、气体流速、尾气排放间隔等操作参数的影响,其中工作温度是影响输出性能的关键因素。针对空冷型PEMFC发电系统温度控制所具有的非线性、时滞、慢时变等复杂特性,提出基于灰色预测的无模型自适应控制方法实现实时最优温度控制。该方法将灰色预测的结果代替发电系统当前工作温度测量值。实验结果表明:所提方法能够在不同负载条件下实现对发电系统最优温度进行实时跟踪。与增量式PID控制相比,所提方法有效减小了系统的超调,使发电系统输出功率更平稳,有利于发电系统的长期稳定运行,延长电堆的使用寿命。且所提方法仅根据PEMFC输入输出数据在线对控制器进行调整,对PEMFC参数不敏感,可应用于类似空冷型PEMFC发电系统。     

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。