燃料电池发动机低温冷启动热平衡建模与实验研究

质子交换膜燃料电池发动机低温冷启动性能是制约燃料电池发动机广泛应用的关键指标之一,燃料电池发动机系统的电池堆、BOP部件以及控制策略的不同会影响发动机的低温启动特性.本文设计了燃料电池发动机热管理系统,制定了控制策略,在此基础上建立了燃料电池发动机低温冷启动过程的热平衡模型,对发动机低温冷启动所需热量进行预测分析,并将模型计算热量与低温测试实际热量值进行了对比,验证了计算模型的准确性,为低温启动过程的精确控制提供预测依据.     

PEM燃料电池零下低温启动研究现状

目前质子交换膜燃料电池的零下低温启动问题仍是制约其大范围推广的一个重要原因.本文主要阐述了质子交换膜燃料电池的低温启动过程水热机理,分析了当前低温启动工况水热性能研究的主要方向:电池结构设计、冷启动操作参数和冷启动策略,对质子交换膜燃料电池的低温行为特性及低温损伤研究现状进行概述总结,并对未来低温启动的研究方向提出建议.     

相变材料辅助的燃料电池客车冷启动特性研究

随着燃料电池在客车上的应用不断深入，其低温环境下冷启动问题逐渐凸显。为了提高燃料电池客车的启动速度，使电池更快地工作在合理的温度范围内同时降低冷启动过程的能耗，将相变材料（PCM）引入电堆冷启动系统，利用PCM可吸收电堆工作废热的特性，在冷启动时将废热放出加热电堆。基于仿真平台搭建电堆冷启动系统模型，对比分析了正温度系数热敏电阻（PTC）独立加热、PCM独立加热和PCM-PTC联合加热的温升变化和能耗特性。3种加热方式均使80 kW电堆从–20 ℃升高到10 ℃，PTC的功率为12 kW，PCM采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料（CPCM）。在联合加热方式下，分析了PCM质量对冷启动时间、节能率和潜热利用率的影响。结果表明:PCM-PTC联合加热方式较PTC独立加热节省约33.46%能耗，启动时间缩短了37.40%，较PCM独立加热启动时间缩短了61.00%；随着PCM质量的增加，冷启动时间缩短，系统节能率增加，但是PCM的潜热利用率却在下降。PCM辅助的冷启动系统为燃料电池发动机在低温环境下快速启动和节能提供了思路。     

燃料电池冰点以下低温特性研究现状

在冰点温度以下的启动问题是制约质子交换膜燃料电池产业化的技术瓶颈之一.从冷启动行为与性能衰减和恢复、低温下膜中水形态、催化层电化学性能损失、扩散层、微孔层、电极孔结构破坏等方面评述了低温操作和冷启动对燃料电池电极材料、膜电极组件和电池组性能的负面影响,并对燃料电池的冷启动解决方案和防冻措施进行了分析与评价.     

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。     

质子交换膜燃料电池的瞬态变化机理

基于一个准确高效的多相多维数值计算模型,在充分考虑水的凝结/蒸发以及结冰/融化等相变过程的基础上,仔细分析了质子交换膜燃料电池在常温下的瞬态响应现象和低温环境下的冷启动现象这两种瞬态变化过程,讨论了其中的关键影响参数及其作用机理。     

质子交换膜燃料电池低温标准的研制

本文阐述了质子交换膜燃料电池中水含量对质子交换膜性能的影响;总结了目前质子交换膜燃料电池冷启动的方式及研究进展;介绍了我国目前《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》标准项目的研究内容。在此基础上,进一步阐述了我国《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》国际标准提案的研制情况。最后,提出了质子交换膜燃料电池低温标准研制的重要性。     

PEMFC氢泵方法低温启动

利用氢泵方法对质子交换膜燃料电池(PEMFC)在0℃以下进行低温启动实验,实现燃料电池短堆在-30℃低温启动。通过获得的极化曲线或时间温度曲线分析环境温度对于氢泵启动的影响和氢泵强度对于电池启动速度的影响,比较电池在20次启动前后性能的变化。数据表明:不同启动电流密度与低温启动的速度成正比;适宜空气量计量比利于快速启动;氢泵方法低温启动后电池的性能有所提升。     

质子交换膜燃料电池冷启动性能影响因素分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动性能与初始水含量、启动模式、启动温度等密切相关。从电池内部水结冰/解冻过程,电池的不同启动模式,电池内水的结冰位置等方面较详细地阐述了它们对电池性能的影响,对学者们的研究成果进行了总结归纳,就电池冷启动后续研究方向提出了建议。     

车用质子交换膜燃料电池低温起动研究进展

燃料电池系统不能在零摄氏度以下的环境中正常起动是阻碍燃料电池汽车商业化的主要障碍之一。对国内外质子交换膜燃料电池低温起动的研究进展做了概括。介绍了低温环境对燃料电池的使用以及对零部件和膜电极(MEA)的影响。介绍了燃料电池低温起动仿真研究使用的主要物理模型。对已经获得专利的燃料电池低温起动策略和方法做了分类,并比较了不同起动策略的优点和缺点。提出了未来燃料电池低温起动研究的方向和重点。     

质子交换膜燃料电池冷启动机理及冷启动策略

本文在文献的基础上阐述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动机理,并分析了PEMFC典型的冷启动过程.在此基础上,讨论和归纳了PEMFC的冷启动影响因素,归纳出了影响PEMFC冷启动过程的关键因素,并将现有的PEMFC冷启动策略按照自启动和辅助启动两大类别分别论述了各种冷启动策略的原理,对其优缺点加以评述.     

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。     

低温型燃料电池混合发电系统的半物理仿真

针对低温型燃料电池运行状态对电池性能和寿命的影响,建立了基于机理的质子交换膜燃料电池的电气模型,给出了采用电化学方程的质子交换膜燃料电池半物理混合发电系统电气特性的模型结构、优化、仿真和实验,为低温型燃料电池混合发电系统的研究提供了一个实际工程应用模型。     

燃料电池发动机水热管理系统设计研究

介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理与特点,分析了保持燃料电池内部水平衡和热平衡的必要性,根据东风电动汽车有限公司25kW燃料电池发动机的设计参数,计算出空气和氢气的加湿量及电堆的散热量,设计出了一套有效的燃料电池发动机水热管理系统方案。     

空冷型PEMFC的动态建模仿真及验证

为研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作特性,采用Simulink软件建立了PEMFC的电化学动态模型及传热动态模型,将模型仿真计算得到的数据与实验室空冷型PEMFC的实验数据进行对比。通过对比模型与实验电池的输出电压及电堆工作温度数据发现误差都在2%以内,模型具有良好的适用性。在该模型的基础上探究了阳极氢气压力、膜含水量以及质子膜厚度等因素对PEMFC输出性能的影响,根据仿真结果表明:提高氢气压力、增大膜含水量和在一定范围内减小质子膜厚度都能提升电堆的输出性能。     

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。     

质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化

质子交换膜燃料电池在车辆中具有较大的应用潜力。低温启动过程是指燃料电池从较低的初始温度启动,直到稳定工作状态的过程。该过程中的水热管理特性决定燃料电池的输出性能。利用数值仿真方法,建立一个一维多相流电池堆模型,研究不同条件下从10℃低温启动直到升温至80℃的过程中电池启动性能和水热管理特性。结果表明,随着启动过程的进行,电池堆温度分布的不均匀性逐渐凸显。启动初期电压下降,主导因素是显著的电渗拖曳效应(EOD)导致阳极电阻增大。阳极氢-氧催化反应辅助启动,既可使电池堆更快达到正常工作温度,也可为阳极快速加湿,降低电阻,获得更高的输出电压。而阴极氢-氧催化反应辅助启动易导致阴极水淹,因此不利于提高低温启动过程中的水热管理性能。     

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...     

FCE低温起动方法和控制策略研究

利用Matlab/Simulink软件搭建燃料电池发动机低温起动仿真模型,对FCE不同低温起动方法的特点和可行性进行了分析,对无辅助措施电堆起动过程、3种带控制策略的电堆低温起动过程、FCE冷却系统加热电堆起动过程的仿真结果进行了分析,得出对FCE采用保温和冷却系统加热的联合控制策略,可使FCE低温环境下顺利起动;采用第2控制策略,可使电堆自身的温度维持在70~80℃,从而使FCE的工作特性最佳、输出效率最高。对FCE冷却系统加热的试验与仿真结果进行对比分析,试验和仿真的结果基本吻合。     

多物理域质子交换膜燃料电池建模仿真及实验测试

燃料电池及其应用近些年逐渐成为研究热点,对于系统级的燃料电池运行工况分析及设计,底层的燃料电池本体模型显得至关重要。相比于已有的传统经验模型,重点提出了一种一般性的多物理域燃料电池分析模型,并从电化学域、流体力学域以及热力学动态域对质子交换膜燃料电池进行了精确建模。所提出的框架性建模方法可以适用于不同型号的质子交换膜燃料电池,同时也可以进一步拓展并应用于不同种类的燃料电池。随后以Ballard NEXA 1.2 kW质子交换膜燃料电池为例,对模型在不同工况下进行了仿真,并通过实验测试验证了所提出模型的有效性和准确性。在此基础上,可以展开相应的控制策略及电池本体运行分析,从而提升燃料电池系统的运行性能和工作寿命。