PEMFC电堆内部水结冰、融化及冷启动过程的研究

为了研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆在冰点(273 K)下快速、低损坏的冷启动,建立了一个包含40片单池的二维动态堆模型,用于估计电池堆内每片单池内水的结冰/融化时间,并利用获取的液相/固相分界线分析各单池的差异性。在环境温度为260 K时,仿真模拟了电堆的结冰/融化过程并得到以下结论:(1)关机后,电堆外层单池先结冰且每片单池结冰耗时相等,但外层单池开始结冰的时间间隔较内层单池间的开始结冰时间间隔长,最里层几片单池几乎同时结冰;(2)开机前,加载热源加热质子交换膜,若内部残留水结冰则电堆的升温时间比没有残留水的升温时间要长,残留水影响电堆的冷启动过程。     

存水量对PEMFC零度以下储存性能衰减的影响

通过模拟电池停车后以不同贮水量在-10℃保存,经历8次冰冻-解冻循环后,考察了其对电池性能,电化学特性的影响。当电池贮水量较小时,电池的性能衰减不明显,随着贮水量的增大电池的性能损失随之增大;通过对冰冻循环过程中电化学阻抗谱的测定发现在8次循环中电池的欧姆电阻都没有明显改变,但体现电荷转移电阻和电池内扩散电阻的高频圆弧半径随循环次数明显增加;从循环伏安测试结果可以看出催化剂的电化学活性表面积没有明显减小,因此推断电池性能衰减主要来自于催化层扩散阻力增大。     

PEMFC发动机热管理与冷启动研究进展

综述近年来质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机的热管理和冷启动研究进展。包括空气冷却、相变冷却和液体冷却等3种冷却形式;比例-积分-微分控制(PID)和模糊控制等热管理策略;内部加热、外部加热和停机吹扫等3种冷启动措施。阐述各方法的工作机理并进行比较分析,展望热管理和冷启动的发展趋势。     

不同参数对PEMFC电堆低温起动影响的仿真研究

在一定假设条件下,将每片电池分成10层,每层看成一个集总参数,在Matlab/Simulink软件平台上搭建了由20片电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型。分别对不同双极板材料、不同端板材料、电堆内有/无残存冷却液及加载1.0 A/cm2的电流密度进行仿真研究,得到不同参数对PEMFC电堆低温起动的影响,为燃料电池电堆的低温起动提供技术支持。     

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％.     

千瓦级PEMFC电堆的研制

使用表面改性的金属铝板做双极板,成功组装了含30个质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电堆。H2、空气反应气均采用外增湿,使用循环冷却水排出电堆产生的热量。分别使用Nafion115膜和John-MatthyPt/C作为电解质和催化剂,其中Pt载量为0.4mg/cm2。电堆工作温度为室温至100℃,H2与空气工作压力比为0.20MPa/0.22MPa,电堆输出功率为1~1.3kW,输出电流为40~80A,输出电压为26~20V,电极工作电流密度为200~375mA/cm2,电堆能量转化效率为51%。     

PEMFC及其空气/氢气供给系统控制研究

综合考虑了质子交换膜燃料电池及其空气和氢气供给系统,根据系统的工作要求,设计了一种实用而有效的控制方法。系统通过对空气和氢气进气量的调节,保证燃料电池输出电压和氢氧两侧压力符合系统要求。仿真研究建立了PEMFC和空气/氢气进气系统的数学模型,研究了燃料电池系统输出电压、阴阳极压力以及空气进气系统中的氧气分压和氧气质量变化,结果证明控制系统具有较好的动态性能和抗扰性,满足控制要求。     

风冷金属双极板燃料电池冷启动性能研究

风冷金属双极板质子交换膜燃料电池因其结构简单,响应快等特点,广泛应用在便携式电源上,冷启动是制约风冷金属双极板燃料电池商业发展的一个重要影响因素.提出了一种在风冷金属双极板燃料电池阴极流道铺设电阻丝预热冷启动方案.结果表明:通过电阻丝加热,电池在3 min之内从-40℃升温至冰点以上.采用交叉布置方式的电热丝热量利用效率高,加密单层电热丝铺设数量以及加密端板附近的电热丝铺设层数均对电堆整体温升均匀性有重要意义.     

氧气替代空气对PEMFC电堆性能的影响

采用纯氧代替空气,研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能提升的幅度。电池工作后采用氮气冲洗,来避免氧气的氧化伤害。在100%加湿、测试温度从50℃变化到60℃的条件下,与使用空气相比,使用氧气的电堆(1.2V、10A,总反应面积为25cm~2)在1.2V时的功率从12.4W提高到25.6W,性能提升了106.5%。     

基于Simulink的PEMFC动态响应特性研究

利用MATLAB/SIMULINK软件平台建立电池的瞬态响应仿真模型。在考虑空气系统时间滞后的基础上分析减载时PEMFC发动机输出功率的瞬态响应特性。受空气系统的时间滞后影响,输出功率的瞬态响应特性不平滑出现波动。经研究发现,随空气压力不平衡性的增大,电池堆输出电压、功率的波动变大,为了控制输出精度在±0.1%,空气压力的不均匀度应控制在2%以内。     

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%)。     

PEMFC堆的正交实验分析与建模

采用正交实验法研究操作参数对PEMFC电堆性能的影响.实验结果表明:电堆性能受工作温度、气体压力和空气过量系数影响较大,而氢气过量系数以及阴、阳极湿度在60%～100%时对性能的影响较小.神经元网络可以避开电堆内部的复杂关系,在正交实验基础上能实现快速建模.采用改进型BP算法对多参数影响下的电堆性能进行建模,仿真结果表明:方法可行,并且模型具有较好的精度和泛化能力.     

千瓦级熔融碳酸盐燃料电池组启动与性能

采用内公用管道和高温胶来组装52节电池组,以缓慢又均匀升温和通氧燃烧电池组隔膜中的有机物,电池组成功运行。反应气压为0 5MPa,反应气利用率为20%,在150mA/cm2电流密度下放电,电池组稳定输出功率为1025 48W。反应气压升高,电池组热电效率提高;放电电流密度升高,其热电效率反而降低。     

基于循环工况的燃料电池堆电压一致性评价

基于车用动态循环工况,对车用燃料电池堆进行1044 h耐久性实验.基于实验数据,从电流和运行时间两个方面进行燃料电池堆电压一致性研究,发现电压一致性随电流的增加和运行时间的延长而变差.在此基础上,提出一种改进的单体电池电压一致性评价方法,指标包括:电压最大偏差率、单体电压波动率和单体电压异众比率.在改进的评价方法中,综...     

风冷电堆材料特性对电池性能的影响

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地提高.MEA是质子交换膜燃料电池的核心部件,它由质子交换膜,催化剂,微孔层和气体扩散层等通过一定的工艺制作而成.通过对不同厚度、不同疏水度扩散层( GDL)的研究,得出风冷电堆的GDL最佳厚度的值为0.6 mm,GDL疏水程度为40％时,电池的性能发挥至最大值.     

水热法制备质子交换膜燃料电池阴极Pt/C催化剂

采用硫代乙酰胺(TAA)为沉淀剂,水热法合成40%Pt/C质子交换膜燃料电池阴极催化剂,通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)考察了Pt/C催化剂的物理性能,并利用循环伏安法(CV)分析了催化剂的电化学活性,采用旋转圆盘电极(RDE)评价了催化剂的氧还原催化活性。实验表明水热硫化物沉淀法合成催化剂受反应pH值、氯铂酸与沉淀剂硫代乙酰胺的配比、H2热处理等制备条件的影响,制得的Pt/C催化剂粒径小(平均粒径3nm左右)并且分布均匀,催化性能较好。     

胶体法制备PEMFC催化剂的评述

胶体法可有效地控制催化剂颗粒的粒径,是制备高Pt负载量催化剂的有效方法.对近几年胶体法制备质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂的状况进行了评述.按稳定胶体的机理,胶体法可分为无保护剂法和有保护剂法.