基于流动沸腾换热的PEM燃料电池散热系统设计

为了开发大功率燃料电池散热系统,利用燃料电池余热,设计一套基于流动沸腾换热的质子交换膜(PEM)燃料电池热管理系统,冷却液使用HFE-7100,对比HFE-7100的两相沸腾传热与水单相传热。结果显示：两相HFE-7100冷却方式控制燃料电池内部温度在65～75℃之间,电堆内部温差在5℃以内,散热系统体积更小,效率更高。两相HFE-7100冷却方式的温差受负载条件的影响较小,对于各种负载条件,两相冷却方式电池温度分布更均匀。在低蒸汽质量下,两相传热系数与质量流速无关。     

PEMFC空气传输系统控制方法研究

针对质子交换膜燃料电池空气传输系统的强耦合性、非线性和时变性特点,该文将多模态PID和传统PID控制方法用于140 kW燃料电池空气传输系统中,通过跟踪空压机出口空气质量流量进行实时控制,实现空气传输系统动态响应快,超调量小,稳态波动小的控制效果;能够满足车载质子交换膜燃料电池的实时动态工况要求;并从系统响应特性和能耗等方面比较2种控制方法的控制特性。     

空冷型PEMFC电源系统热耦合实验研究

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)电源系统中燃料电池系统和金属储氢器的热耦合管理对系统会产生重要的影响。本文通过实验分别研究将金属储氢器前置和后置这两种与燃料电池系统不同的耦合方式对燃料电池输出性能、单电池电压的均衡性以及风扇功耗的影响。结果表明,这两种不同的耦合方式对燃料电池输出性能、单电池电压的均衡性影响很小,但是对风扇功耗的影响比较明显。这主要是由于储氢器前置时空气先经过储氢器表面冷却再进入电堆,这有利于减少电堆散热所需的空气流量,从而降低风扇功耗。因此储氢器前置有利于降低系统辅助功耗,提高系统效率。     

氟泵供液式散热系统试验研究

利用一个氟泵供液式散热系统,分别研究了室外环境温度变化对散热量和能效比的影响;通过变频调节氟泵功率改变散热工质流量,分析并讨论散热工质流量的变化对散热量和能效比的影响。试验结果表明,随着室外环境温度的降低,系统散热量和能效比均显著提高;随着散热工质流量的增大,散热量先升高后基本保持不变,能效比则先升高后降低,即存在最佳散热工质流量使得系统的能效比达到最大值。系统优化后在实际应用时,在室内外温差为11～26℃时,测算的能效比可达8.5～16.5。     

质子交换膜燃料电池的水热管理

质子交换膜燃料电池电化学反应生成电能、热能和水。质子交换膜燃料电池中水管理与热管理是紧密关联互相耦合的,有效的水热管理对于提高电池的性能和寿命起着关键作用。本文对膜中水的迁移机理及影响水平衡的主要因素进行了分析,对目前较为有效的水管理方法进行了综述。另外,分析了在微重力条件下燃料电池水管理问题的重要性。燃料电池中约有40%~50%的能量耗散为热能,必须采取有效的散热方式及时排除这些热量。本文对质子交换膜燃料电池的温度分布、局部换热系数及散热等燃料电池热管理相关问题进行了分析。     

基于GT_COOL的质子交换膜燃料电池发动机冷却系统仿真

运用GT-COOL软件建立了30 kW质子交换膜燃料电池发动机冷却系统的一维仿真模型,该模型主要由电堆、水泵、风扇和散热器子模型组成。利用该模型对燃料电池在各工况点的冷却系统散热特性进行仿真,并将仿真结果与实验数据进行比较分析,仿真结果与实验值的相对误差在5%以内,表明所建模型是合理的。     

燃料电池发电与电解镁结合的探索研究

文提出了一种新型的用于电解镁生产的燃料电池发电系统,研究了燃料流量和燃料利用率对系统性能的影响,同时在设计工况下对系统的能量平衡和火用平衡进行了分析。研究表明：在设计工况下,系统的热效率为69.24%,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)电堆的发电效率和系统发电效率分别为39.34%和33.42%;当燃料流量从1.0 mol/s提高到1.3 mol/s时,电堆的发电功率从95.14 kW增加到119.95 kW,电堆的发电效率从39.34%提高到43.05%。当燃料利用率从0.65提高到0.95时,电堆发电功率从67.93 kW增加到95.14 kW;电堆发电效率从28.09%提高到39.34%。     

不同流程平行流换热器换热性能分析

采用3个不同流程布置的微通道换热器进行循环水冷散热实验,研究不同流程及风速布置下的微通道换热器的换热性能。换热器的水冷介质为乙二醇溶液,具有凝固点低、比热高的特点,能够满足不同地区室外环境温度需求。结果显示：不同流程布置对微通道换热器的换热量和压降有影响,随着流程数的增加,换热器的换热量和压降都随之增加,4流程换热器比1流程换热器换热量最多增加了11.1%,增长速率随着风速和流量的升高逐渐减小;而4流程换热器比1流程换热器的压降最多增大了150%,增长幅度随着流量的增加而增加。     

均匀磁场对质子交换膜燃料电池工作性能影响研究

通过在质子交换膜燃料电池加载不同方向、不同强度的均匀磁场,研究均匀磁场对质子交换膜燃料电池工作性能的影响。研究发现,在燃料电池两侧加载不同方向、不同强度的均匀磁场,可以不同程度提升质子交换膜燃料电池的工作性能。文章对比了磁场方向与质子交换膜燃料电池双极板两侧平行及垂直时的工作性能,垂直磁场下的电池输出功率和工作电流提升幅度最大。当质子交换膜燃料电池分别置于不同强度(270,440,530 m T)的均匀磁场时,磁场下的电池输出功率与不加载磁场时有所增大,并且随着外加均匀磁场的增大,电池的输出功率也随之提高。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的神经网络预测模型

质子交换膜燃料电池膜电极组件表面的温度分布会影响质子交换膜燃料电池的性能、寿命和可靠性.为探究质子交换膜燃料电池传热规律,本文提出了一种基于神经网络的质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的预测模型.本研究选取径向基函数神经网络(RBF)和广义回归神经网络(GRNN)两种神经网络,以电流密度、温度点的位置作为网络输入,不同位置的温度作为网络输出,对平行流道质子交换膜燃料电池、蛇形流道质子交换膜燃料电池分别建立了神经网络预测模型.结果显示,RBF神经网络预测的均方根误差平均为0.464、平均绝对百分误差为1.179％,GRNN神经网络预测的均方根误差平均为0.7155、平均绝对百分误差为2.27％;相较于GRNN神经网络,RBF神经网络精度更高;基于RBF神经网络的平行流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与96％的实验值的相对误差在5％以内.基于RBF神经网络的蛇形流道质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布预测模型预测值与95％的实验值的相对误差在5％以内.     

质子交换膜燃料电池整车辅助散热系统设计建模及分析

建立车载质子交换膜燃料电池（PEMFC）辅助散热系统数学模型，进行某客车PEMFC发动机辅助散热系统的管路连接方式设计，对管路流阻、冷却液流量及其温升进行分析并开展试验对数学模型进行验证。结果表明：数学模型准确可靠且可用于设计和优选PEMFC辅助散热系统的管路连接方案，相同总冷却液流量下（空压机控制器-空压机本体）||（降压DCDC-升压DCDC）||（氢泵控制器）的三路并联方案的总流阻较（氢泵控制器-空压机控制器-空压机本体）||（降压DCDC-升压DCDC）的两路并联方案降低40.7%，各分支管路的冷却液流量均满足部件散热要求，冷却液温升满足整车散热要求。     

车用PEMFC直流道散热特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的散热对其性能有很大影响。文章利用Gambit软件建立带冷却通道的PEMFC模型,使用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行数值模拟计算。通过改变冷却通道进口处冷却水的流速和温度,对质子交换膜内温度和冷却水出口处温度进行了分析。数据表明,冷却水的流速和温度对PEM内温度分布都有一定影响。为使PEMFC正常稳定工作,冷却水流速不宜过小、温度不宜过低。     

动态工况下车用燃料电池系统热力学分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是通过电化学将反应将氢气中的化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有启动快、无污染、效率高、可靠性高等特点,正逐步应用于新能源汽车.本文提出了一种车用燃料电池动力系统热力学模型,系统主要由PEMFC电堆、空气压缩机、氢气循环泵、冷却水泵及加湿器模型组成.研究了动态工况下附属设备能耗对燃料电池动力系统效率的影响,分析了工作温度、阴阳极进气湿度等运行参数与系统电功率、电效率及热效率的映射关系,得到了动力系统在180～300 A阶跃电流下的附属设备能耗及系统输出净功率、电效率、热效率.结果表明,在30 kW车用PEMFC系统中,系统输出净功率达22.5 kW,加湿器、冷却泵、空压机、氢气循环泵的能量损耗分别达1.78 kW、2.18 kW、3.1 kW、2.15 kW.系统最大电效率及热效率分别达41％、52.1％.     

基于燃料电池膜水分传递特性研究的温度与湿度控制

质子交换膜燃料电池(PEMFC)中保持膜的适度湿润性非常重要.模拟了质子交换膜的水环境,采用西门子S7-300PLC和力控组态软件设计了温度湿度控制系统;应用PID调节原理分别控制三种不同空气流量(1、6、10 g·s-1)情况下空气加热器和水加热器的温湿度.由数据分析可得到结论:1 g·s-1流量引起的湿度波动较大,10 g·s-1流量在高温高湿情况下出现异常.     

基于模糊PID控制的家用燃料电池热电联供系统建模与仿真

家用燃料电池热电联供技术,是燃料电池应用领域的一个具有广阔发展前景的研究方向.质子交换膜燃料电池在运行时消耗燃料中的化学能,同时除了将一部分化学能转化为电能外,其余部分的化学能则以热量的形式散失.如果对这部分热量不能进行合理有效地利用,那么将会导致系统的能源利用率降低,同时还会影响燃料电池的安全运行.因此在正常发电的前提下,为了对质子交换膜燃料电池在运行过程中产生的热量进行回收利用,本文提供了一种水冷型质子交换膜燃料电池热电联供方案.通过冷却液将电堆产生的热量带出,并在换热器中将吸热后的高温冷却液与常温自来水进行热量交换,同时使用水箱储存热水,实现热量回收利用.基于MATLAB/Simulink软件平台建立了燃料电池热电联供系统仿真模型,主要包括电堆模型、散热器模型、储热水箱模型等.同时设计了系统在不同工作模式下的控制策略和用于电堆温度控制的模糊PID控制器.结果表明,通过采用模糊PID控制器对系统进行控制仿真,系统可获得良好的动态响应和抗干扰性能.同时通过仿真得到系统在功率负载范围内最大热电联供效率约为83％,满足了家庭的日常供热和用电需求,提高了能源的利用率.     

基于可拓控制的质子交换膜燃料电池动态特性研究

针对质子交换膜燃料电池在启动和负载变化时,输出响应速度较慢和稳定性较差的问题,提出了一种基于可拓控制的质子交换膜燃料电池动态特性优化方案。基于质子交换膜燃料电池动态模型,结合可拓控制参数整定简单、响应快速、稳定性好的特点,以质子交换膜燃料电池输入端氢气进气量作为参考控制量,设计了可拓控制器,以提高质子交换膜燃料电池的响应速度及输出稳定性。将可拓控制与经典PID的控制效果进行了对比,结果表明,在燃料电池启动和负载变化过程中,可拓控制在燃料电池输出动态稳定性及克服燃料电池响应滞后等方面均优于PID的控制效果。     

膜加湿器热质交换过程的理论分析

膜加湿器是保证质子交换膜燃料电池(PEMFC)正常高效运行的重要组成部分.以燃料电池的板式膜加湿器为研究对象,根据热质交换原理对膜加湿器的传热传质过程进行了理论计算,分析了空气质量流量、膜内加湿侧进口温度和膜内加湿侧进口湿度对传热传质过程的影响.在传热方面:当空气质量流量不同时,随着膜内加湿侧进口温度的变化,膜内的热流量变化趋势不一致;当膜内加湿侧进口相对湿度为95%时,随着空气质量流量的变化,膜内热流量变化不大.在传质方面:当加湿侧进口相对湿度不变时,膜中水传输速率随着空气质量流量的增大而减小;当空气质量流量不变时,膜中水传输速率随着加湿侧进口相对湿度的增大而增大.     

基于R1233zd的泵驱两相流锂电池散热系统研究

随着人们环保意识的提升,车用锂电池得以飞速发展,水冷系统以其简单的系统结构被广泛应用于车用锂电池散热领域。水冷系统利用工质显热换热,不仅换热能力有限,也存在因工质泄露而引发短路、燃烧的安全隐患。泵驱两相流系统散热能力较强且安全,近年来多应用于航空航天领域,但是在车用锂电池散热方面的应用和研究较少,因此本文提出基于R1233zd的泵驱两相流系统替代水冷系统的锂电池散热方案。R1233zd具有无毒、不可燃且绝缘的特性,同时兼具环保性和较高的散热潜力,相比于传统制冷剂R134a,R1233zd具有更低的GWP和更高的潜热。本研究使用实验的方法,在使用相同实验台架且保持环境温度和冷源温度相同的情况下,对比分析热负荷为500W、700W、900W和1100W时,水冷系统和泵驱两相流系统的散热效果。结果表明：1）在相同散热量的情况下,泵驱两相流系统需要更低的流量,本实验中,泵驱两相流系统的流量仅为水冷系统流量的1/7;2）泵驱动两相流系统具有更好的散热效果,本实验中,其冷板温度比水冷系统低2℃到6℃、冷板下表面温差为水冷系统的1/7;3）泵驱两相流系统能够更好地抑制局部热点的蔓延。综上所述,基于R1233zd的泵驱两相流锂电池散热系统具有非常广阔的应用前景。     

PEMFC温度的自动控制

本文分析了工作温度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行性能的影响,研究采用Nafion膜作为温度传感器来检测质子交换膜燃料电池的工作温度,运用闭环负反馈调节方案实现了质子交换膜燃料电池温度的自动控制,并对温度调节过渡过程的性能指标进行了分析和验证。     

质子交换膜燃料电池的自适应模糊恒功率控制

质子交换膜燃料电池作为一种高效的绿色环保电源而受到越来越多关注。维持燃料电池的正确运行需要良好的控制系统。文章在建立质子交换膜燃料电池数学模型和仿真平台的基础上,针对恒功率燃料电池设计了自适应模糊控制器。仿真结果表明,该自适应模糊控制器可以控制质子交换膜燃料电池实现恒功率输