质子交换膜燃料电池的湿度特性和水的迁移途径

质子交换膜燃料电池的工作性能与湿度密切相关。本文研究了影响质子交换膜燃料电池水平衡的各种因素:电流密度上升,阴极生成的水量也逐渐增多;随着电地温度的提高,维持电池水平衡的电流密度必须提高;为减小欧姆损失,阳极气流需要增湿。本文分析了质子交换膜燃料电池水迁移的原理。为了利用反应生成的水,要采用水管理方法:水管理不足以获得足够含水率时,应采用加湿技术。本文比较了内外加湿法的优劣,借助数学建模的方法模拟了电池内部的工作过程,预测内部湿化系统可以免除气体交叉现象的出现,可以克服电池性能受到影响的弊病。     

质子交换膜燃料电池冷启动及性能衰减研究

通过单电池在不同低温操作条件下进行自启动试验,以考察电池在低温环境下的自启动能力。电池的操作条件模拟了发动机启动时空气被压缩引起的温升对启动的影响。通过极化曲线、SEM等考察了电池性能衰减的状况及衰减机理。结果表明:仅仅通过空压机压缩空气对电池进行预热在较低温度下启动发动机难以成功;操作条件对电池自启动有较大影响,加大进气流量、降低启动负载电流密度可以提高电池启动能力;电池在-5℃对负载的变化适应性较强,而在-7℃对负载的变化变得非常敏感;多次冷启动后,催化层表面发生了龟裂;碳纸表面PTFE颗粒发生了脱离,构成空隙骨架的碳纤维变得光洁,碳纤维在冰的冻涨应力的作用下被折断,扩散层的排水、导气能力降低,使得电池性能衰减。     

质子交换膜燃料电池温度场数值模拟

本文利用Comsol软件,对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维质子交换膜模型进行温度场数值模拟,结果表明,质子交换膜内部温度靠近阴极一侧高于阳极一侧且电池内部温度随工作电压的降低和电池孔隙率的增加而升高,这一结果对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的深入研究具有重要参考价值.     

车用质子交换膜燃料电池发动机关键技术研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、可持续和清洁等优点,已成为新一代电动汽车发动机的首选动力,近年来得到国内外高度重视,各方面均取得了显著的进展。主要从燃料电池发动机水热管理系统、控制系统、耐久性以及冷启动四个方面介绍了燃料电池发动机关键技术的研究现状和进展情况,并展望了燃料电池作为动力系统商业化用于汽车亟待解决的问题。     

质子交换膜燃料电池动态特性仿真

在质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFC)经验模型的基础上,建立了一种PEMFC动态特性建模和仿真的方法,应用MATLAB的SIMULINK仿真工具建立了PEMFC的动态仿真模型,仿真研究了电池堆的运行参数等对电池输出性能的影响.该方法可以应用于燃料电池的动态特性仿真分析、优化设计和燃料电池系统的自动控制.     

质子交换膜燃料电池动态特性仿真

在质子交换膜燃料电（proton exchange membrane fuel cells, PEMFC）经验模型的基础上,建立了一种PEMFC动态特性建模和仿真的方法,应用MATLAB的SIMUEINK仿真工具建立了PEMFC的动态仿真模型,仿真研究了电池堆的运行参数等对电池输出性能的影响．该方法可以应用于燃料电池的动态特性仿真分析、优化设计和燃料电池系统的自动控制．     

质子交换膜燃料电池动态模型研究

对近10年内PEMFC从单电池到电池系统的动态模型进行了简要介绍.提出了当前动态模型工作中存在的问题,指出模型工作可能的发展方向1)从微观角度更趋近真实地描述电池内部过程,建立包括电极过程动力学与电化学热力学等的机理模型;2)从宏观的角度发展用于全面描述质子交换膜燃料电池系统的联合数学模型.     

质子交换膜燃料电池动态特性仿真研究

发展了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)动态建模和仿真的方法.通过对电池稳态经验模型的扩展,运用MATLAB的SIMULINK仿真工具建立了质子交换膜燃料电池动态仿真模型,研究了电堆的运行参数对电池输出性能的影响,仿真结果与实验数据吻合较好.该方法可以用于燃料电池的分析、优化设计以及电池系统的实时控制.     

直通与交叉流场质子交换膜燃料电池瞬态特性

研究了质子交换膜燃料电池三维、两相瞬态数学模型,分析了电压负载变化方式、流道与肋条宽度比对直通和交叉流场燃料电池瞬态特性的影响.结果表明,多孔电极氧气浓度偏离其稳态分布是导致电流上冲和下冲的原因;而响应时间由膜中水的含量达到稳态分布所需时间决定.交叉流场相对直通流场在多孔电极具有更高的局部氧气浓度,导致电流上冲峰值与下冲谷值均高于直通流场.随流道与肋条宽度比增加,两种流场响应时间均增长,直通流场电流上冲现象增强,下冲现象减弱,而交叉流场,电流上冲与下冲现象均增强.     

质子交换膜燃料电池膜内水迁移和水管理

质子交换膜燃料电池膜内的水状态与工作性能密切相关。水的流进和流出管理不当,将出现水淹和干化现象。采用工作过程数学模拟的研究方法,可以深入了解燃料电池的湿度特性和水迁移特性。借助质量、动量和能量守恒及膜的特性关系式建立的数学模型,对电流、压力和水淹、干化的影响进行了研究。结果表明,有水从膜中流出时,膜中水的总量和膜的离子导电性下降,致使膜中的压降和欧姆热上升;在较大的电流密度作用下,膜中移动的质子数增多,携带水分子的能力也增大,从阳极带走的水分子增多,造成了阳极侧水浓度的下降;适当的压力梯度可以使燃料电池在运行过程中保持膜侧阳极的水化。研究证明,实际的湿度状态是各种因素的综合,电池的工作条件最终决定了它自身的水平衡状态。     

5 kW质子交换膜燃料电池堆之气体与水管理系统

开发了一个气体与水管理系统,藉以配合5kW质子交换膜燃料电池堆(Ballard 1310),使燃料电池的发电效率提升,并应用在小型运输工具之辅助动力装置(APU).气体与水管理系统包含4个子系统:氧化物供应系统、氢气供应系统、冷却系统与控制系统.原设计之各子系统中,感测组件过多以及管路过长,易出现热耗散及不均匀的现象,使供应气体温度下降.在新的简化设计中,减少各系统中的感测组件及缩短的管路,能有效提升供应气体之温度,提升燃料电池的性能.此外,电池效能会被在不同负载下的气体相对湿度与氢气消耗量影响,氢气消耗量在负载100A时较负载10A时多44%,故分析氢气于各负载下的消耗情形与气体相对湿度,有助于设计理想的氢气再循环机制,而提升氢气的使用效率.为使总输出功率可达10kW,后续工作将以另一5kW燃料电池堆系统与原系统结合二极管做串并联组装,且因两电池堆之效能输出几乎一致,故全系统将可进行长时间且稳定之高功率输出.实验结果显示在空气进口温度51℃与相对湿度54%时,电池堆最理想效能可达到65.5%.     

适用于质子交换膜燃料电池系统的高阶滑模观测器

针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统内部状态变量难以通过传感器直接测量,导致不能对PEMFC系统进行故障诊断和设计基于模型的控制器的问题,设计了高阶滑模（HOSM）观测器。首先,搭建了适用于观测的11阶阳极死端PEMFC系统模型。然后,在该模型的基础上,通过HOSM算法对传感器测量值（电堆电压、空压机出口流量以及电堆温度）与估计值之间的误差进行调节,设计了HOSM观测器。最后,将本文HOSM观测器性能与传统滑模观测器性能进行了仿真实验对比。通过对比观测效果图以及平方误差积分可知：本文观测器能够准确地观测各状态量,并且观测性能更优。     

质子交换膜燃料电池膜电极研究进展

膜电极(Membrane Electrode Assembly, MEA)作为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)最核心的部件,为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所,直接决定了PEMFC的性能、寿命和成本.为了实现PEMFC大规模商业化发展,制备高功率密度、低Pt载量、长寿命、低成本的MEA尤为关键. MEA经历了从第一代到第二代的发展,目前已进入新一代有序化型的发展阶段,其性能、寿命得到大幅度提升,成本也不断下降.本文分析了三代类型MEA的优缺点,对开发高性能、长寿命和低成本MEA具有指导意义.     

复杂流道质子交换膜燃料电池的三维数值分析

针对模拟复杂流道设计质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell ，PEMFC）的传热传质过程和电池电化学性能，提出一个稳态的、非等温的三维数学模型.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm，20条通路的“蛇形”流道结构PEMFC进行数值计算，得到电池的流场、局部电流密度和组分浓度等的多维分布.并分析了不同渗透率对电池特性所产生的影响.结果表明,渗透率越高，压力降越小，有利于提高电池的性能.     

质子交换膜燃料电池催化剂研究进展

电催化剂的研究对降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)的成本以及提高电池性能具有重要意义.质子交换膜燃料电池催化剂的研究主要是围绕铂系金属为主的贵金属催化剂展开,同时研究降低贵金属催化剂用量,寻找廉价催化剂,提高电催化活性.对电催化剂研究现状进行了综述,并根据目前的研究现状,展望了催化剂的发展趋势.     

质子交换膜燃料电池运行工况参数敏感性分析

建立了一维瞬态多相流燃料电池机理模型和全局敏感性分析模型,研究了运行温度、气体压强、化学计量比以及相对湿度对输出性能的影响规律和影响程度。结果表明：高功率负荷条件下,运行温度的变化会造成更明显的性能波动;提高进气压强和化学计量比能够增强输出性能;相对湿度过低产生的“膜干”现象在低电流密度区域更加明显;经过敏感性量化分析,本文将9类工况参数划分为高敏感、较敏感和不敏感参数;随着电流密度的增大,阴极进气化学计量比、阴阳极进气湿度的敏感性较大且整体呈上升趋势。     

车用质子交换膜燃料电池空气系统过氧比控制方法

针对车用质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统最佳过氧比（OER）控制问题,基于60kW PEMFC系统,构建了面向控制的三阶非线性空气系统模型,分别设计了基于稳态工作点近似线性化模型的动态前馈+PI控制器和基于全局线性化模型的前馈/反馈线性化控制器。仿真结果表明：前馈/反馈线性化方法解决了基于近似线性化模型控制方法由于模型误差而使OER响应存在稳态误差的问题,并且通过引入非线性前馈环节消除了负载电流变化对OER响应的影响,能在不同工况负载下跟踪最佳OER,有效提高了PEMFC系统效率。     

质子交换膜燃料电池动态特性的建模与仿真

详细分析了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电化学模型。在此基础上，运用Matlab的Simulink仿真工具建立仿真模型，通过此模型，分析当电池电流出现阶跃变化时，电池电压、输出功率、消耗功率、电池效率以及电池等效内阻的动态响应。此模型也可用于电堆的仿真与设计，此研究对燃料电池的优化与控制可提供帮助。     

质子交换膜燃料电池堆建模与参数分析

质子交换膜燃料电池性能衰退与寿命预测研究需要依靠多物理仿真模型。为了满足燃料电池堆对仿真工具的要求,单电池模型被串联起来建立了一个燃料电池堆二维模型。在每个单电池内,考虑了各个组件的气体成分,带电离子和水分子的耦合传输特性。以10个单电池组成的电堆为例,将电池堆性能的影响因素归结为内部性能参数和操作运行过程中的控制参数。得到了燃料电池堆的气体浓度分布、阴阳极湿度分布、局部电流密度分布和整体温度分布等。最后对电池内部性能参数和操作参数进行分析,发现提高催化层活性比表面积可改善活化损失;提高质子交换膜电导率可改善欧姆损失;提高扩散层孔隙率可改善浓差损失。为PEMFC性能优化设计和操作条件的选择打下基础。     

模型预测控制器在质子交换膜燃料电池中的应用

在对质子交换膜燃料（PEMFC）的工作原理进行研究分析的基础上,对其进行数学描述,建立质子交换膜燃料电池的数学模型.根据缩减域控制原则进行模型预测控制器的设计,对比分析分别采用氧气压力和氢气压力作为控制变量时输出电压的变化.仿真结果表明当选择氧气压力作为控制变量时能够获得比较理想的控制效果.