固体氧化物燃料电池的三维数值模拟

发展了一个用于固体氧化物燃料电池的三维数学模型,模型同时考虑了流体流动、热量传递、电荷传递、多组分传递和电化学动力学.研究的区域包括阳极和阴极的流道、扩散层和催化层,以及中间的电解质层在内的整个电池.采用统一的数学方程描述整个区域的传递现象,而用不同的源项和相应的物性参数反映不同性质的层.通过计算流体动力学(CFD)技术求解传递方程组,并耦合电化学动力学方程,获得了电池内的流动、温度、压力、反应物组分浓度等分布,并将模拟得到的极化性能与文献中的实验数据进行了比较,结果表明两者符合得较好.     

基于复合相变材料的电池包热管理研究

有机类相变材料导热系数普遍低,制约了其在电池热管理中的应用,通过与高导热率的材料复合能有效改善相变材料的导热性能.为明晰复合相变材料的材料属性对电池包温度分布、温升速率、温度一致性等温度特性的影响,建立了单体电池产热模型和相变材料相变模型,并通过理论计算得出复合相变材料的热物性参数.以此为基础模拟电池组在环境温度40℃...     

基于密胺吸附型相变材料的散热性能优化研究

锂离子电池具有循环寿命长、安全性能好、自放电量小等优点,被广泛应用于电动汽车及储能等领域.然而,由于电池组间的散热和温度不一致,热失控事故时有发生.通过制备密胺吸附型复合相变材料并将其应用在电池模组中进行热管理,结合SolidWorks和Comsol软件,分析了不同厚度、不同导热系数下相变材料对单体电池和电池模组温度分布规律的影响;并建立了密胺吸附型相变材料的电池散热模型,采用实验与模拟相结合的方法优化其散热性能.研究结果表明,当锂电池以5 C放电时,相变材料层的厚度应大于2.5 mm,电池模组的温度可控制在43℃以内;当相变材料的导热系数提高到2.5 W/(m·K)时,电池模组最大温差减小到1.2℃.综上可知,本研究所开发的密胺吸附型复合相变材料作为被动热管理技术展现出良好的控温效果,在电动汽车及储能领域具有重要的应用价值.     

针对虚拟电池的HIL仿真平台研究

虚拟电池在与电池相关领域的开发环节起到了重要的作用.文中针对虚拟电池搭建一个硬件在环仿真平台,包括dSPACE、虚拟电池、充放电设备以及数据采集设备等.根据虚拟电池的实际使用场景,文中建立电池等效模型,并将多串电池模型计算过程进行矩阵化处理.考虑电池组中电池存在不一致性,根据正态分布对电池模型参数进行差异化的处理,并通过MATLAB软件进行多串电池模型的联合仿真.结果 显示所提出地方法能够较好的模拟电池组中电池的动态性能以及单体的不一致性.     

一种考虑催化层结构参数的PEMFC气相模型

质子交换膜燃料电池的结构设计对燃料电池车的开发具有重要意义。目前的电池模型通常把催化层简化成一层薄膜,作为边界条件使用,无法分析催化层结构对电池性能的影响。建立了考虑催化层结构参数的一维气相模型,通过有限元法研究电池内部的流场和电场分布。仿真结果和实验符合良好。分析指出扩散层的孔隙率对电池性能影响较大,应高于0.3,催化层的孔隙率对电池性能影响较小。在催化剂载量不变的情况下,催化层厚度应为10~20 mm。     

电动汽车动力电池温度在线估计方法

电动汽车动力电池内部复杂的电化学反应容易受到环境温度的影响,造成电池功率和容量特性的衰减。为了准确估计电池温度变化,提出基于热平衡方程的电池温度在线估计方法,生热部分考虑可逆的熵变生热和不可逆的过电势生热对总体生热的影响,散热部分考虑电池与外界环境的热交换。采用一阶等效电路模型结合扩展卡尔曼滤波实时在线估计模型参数,并利用热平衡方程获得的电池温度递推公式,根据前一时刻电池温度估计当前时刻电池温度。采用联邦城市行驶工况(FUDS)实验对所提方法进行验证,结果表明,所提出的电池温度在线估计方法在电池运行过程中能够实时准确估计电池温度,估计误差在1℃以内。     

液态金属电池的温度特性

作为一类高温电池,液态金属电池的工作温度在300℃~700℃之间,工作温度对于电池性能具有重要影响。该文探究了工作温度对液态金属电池开路电压、充放电性能和电池内阻的影响。首先,建立双极化等效电路模型;运用静置法得到不同工作温度下的开路电压,并通过吉布斯—亥姆霍兹方程和能斯特方程计算相关电化学—热力学参数;运用电池循环测试得到不同工作温度下的循环性能指标;利用脉冲测试数据辨识不同工作温度下的内阻参数,从电池反应界面演变、电极反应、传质过程等方面分析工作温度和荷电状态对内阻的影响;仿真结果表明,考虑温度特性的双极化模型的相对电压误差在±0.03V以内,能较好地反映液态金属电池的动态特性。     

冷却和蓄热结合的动力电池组热管理系统模型

针对当前电动汽车动力电池组的相变冷却问题,设计了一种将冷却、导热和蓄热结合的电池热管理系统。创建基于相变材料熔化实验验证的电池组及其热管理系统仿真模型。通过对模型中不同电池间距、不同导热结构、不同蓄热结构的冷却效果模拟,得出了优化模型参数,分析了优化模型在低温情况下的保温效果,验证该结构设计的电池组及热管理系统冷却与保温功能良好。     

管式固体氧化物燃料电池非稳态数值研究

建立了一个既可以描述管式固体氧化物燃料电池的稳态性能又可以描述其非稳态性能的数学模型。考虑了造成电池输出损失的三种极化现象：欧姆极化、活化极化和浓差极化。在传热模型中，除了考虑传导和对流换热外，也考虑了电池和空气进气管之间的辐射换热。分析了平均电流密度、燃料和空气进口温度和流量对电池稳态和非稳态性能的影响。计算结果表明，稳态下电池固体部分的最高温度位于电池的中部；对于同一幅度的平均电流密度的阶跃变化，电池从最初的稳态到达新的稳态所需的响应时间随各种操作参数的改变而变化。     

考虑驱动器参数的混合式步进电动机精细化模型

建立了一种考虑驱动器参数的两相混合式步进电动机精细化模型。建立了两相混合式步进电动机本体的数学模型,模型考虑了电感、旋转电压和电磁转矩参数的非线性特性,利用衰减系数表示非线性特性,简化电压平衡方程与转矩方程,提高了模型在负载下的精确度。考虑了驱动器功率器件和续流二极管对电机运行性能的影响,建立了电机驱动器的精确模型,将步进电动机本体模型和驱动器模型相耦合,并对参数做了敏感度分析,研究了各个参数对模型精确度的影响。实验结果与仿真结果对比验证了该仿真模型的精确性。     

流道截面形状对PEM燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池内电化学反应生成的水和热量会对电池性能产生较大影响,而流道截面形状是影响电化学反应的因素之一.利用FLUENT软件计算了采用不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池,获得电池电压-电流(U-(I))曲线,并分析中电流密度下不同流道电池内温度场的分布,研究了在中、高电流密度下梯形流道和圆形流道对电池内水含量分布的影响.结果表明,流道形状对电池性能影响一方面体现在流道与扩散层接触面积越大则电流密度越大,另一方面底部为弧形和侧壁倾斜的梯形流道可在一定程度上降低膜内中心部位水含量.     

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。     

压力作用下质子交换膜中水分布研究

质子交换膜中的水含量及水在质子交换膜中的分布直接影响着质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能.有不少学者按Springer模型,基于膜两侧压力差均匀分布在膜内的假设,采用计算机模拟,得出膜中水按指数规律的分布.通过巧妙的实验设计,直接测量出膜内的水含量,发现膜两侧在压力差作用下,膜中的水分布基本均匀,与文献报道不同.作者认为原因主要是:膜两侧受压时,压力不是均匀分布在膜内,而是作用在膜表面.     

基于不同电极位置的PEMFC运行特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种有巨大发展潜力的发电装置,特别适合成为新一代便携式电源和电动汽车的动力源。水是影响燃料电池性能的关键因素,良好的水管理是使其安全稳定运行和提高其性能的必要条件。在PEM燃料电池的阴极侧安装风扇,向燃料电池提供氧化剂和降低电池温度,通过实验,观察到在电池堆方向发生变化的情况下,PEM燃料电池性能及其内部传质情况会发生明显变化。实验结果发现:当电流密度较小时,电极方向对PEM燃料电池的性能影响不明显;当电流密度较大时,阳极在上、阴极在下时燃料电池性能优于阴极在上、阳极在下的燃料电池性能。     

PEM燃料电池迷宫流场双极板的电化学性能研究

双极板流场结构对质子交换膜PEM(proton exchange membrane)燃料电池的电化学性能至关重要。基于双极板的工作原理和有限元分析FEA(finite element analysis)理论,设计了一种用于PEM燃料电池的新型迷宫流场结构双极板,通过建立包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、迷宫流场结构双极板和流道在内的完整PEM燃料电池的三维模型并进行数值分析,研究具有该迷宫流道结构双极板PEM燃料电池的电化学性能。此外,还制备了具有该迷宫结构的石墨双极板试样并进行电化学性能实验。研究结果表明,在保持PEM燃料电池其他参数一致时,具有迷宫流场双极板的PEM燃料电池有较大的功率密度,其最大值为520.283 mA/cm2,实验结果与模拟结果一致,验证了数值模拟的可靠性。     

炭黑及聚四氟乙烯对气体扩散层性能的影响

气体扩散层作为质子交换膜燃料电池重要部件之一,为电极反应提供气体、电子和水的三相通道.炭黑载量以及聚四氟乙烯(PTFE)作为气体扩散层中的重要组分,其含量直接影响气体扩散层中微孔层的厚度、孔结构、电导率,从而对气体扩散层性能产生重要影响.对炭粉以及PTFE的含量对气体扩散层性能的影响进行了综述,认为不同工况对质子交换膜...     

PEM燃料电池阴极催化剂层的模型及性能分析

以物质和电流平衡为基础,建立了PEM燃料电池阴极催化剂层的数学模型,并运用 逐次近似法求解此数学模型。比较发现,数值计算结果和实验结果吻合很好。同时分析了孔 隙率和催化剂表面积对催化剂层性能的影响。     

燃料电池运行压力对整车燃料效率的影响

40 kW质子交换膜燃料电池动力系统可以作为小车发动机。讨论了该动力系统运行时的空气与氢气压力对燃料电池堆输出功率的影响,并综合讨论了对整体系统氢燃料效率的影响。实验数据表明,燃料电池动力系统在低压10.132 5 kPa(相对压力)运行时具有较高的整体系统氢燃料效率,为45%,而在较高压力101.325 kPa(相对压力)运行时具有相对低的整体系统氢燃料效率,为40%。     

离子修饰纳米Pt的合成及其在FC中的应用

介绍了Nation聚合物作为修饰离子,合成具有原位质子导电能力的纳米Pt颗粒;TEM分析显示：Pt颗粒的平均粒径为4nm,颗粒之间界限明显,分散状态良好;将这种离子导体修饰的纳米Pt沉积到纳米碳管(CNTs)表面作为质子交换膜燃料电池催化电极,纳米碳管相互缠绕在催化层形成交联的电子通道。实验结果表明：Pt颗粒表面具有良好的质子、电子和气体通道,单电池具有良好的输出功率,达到2．8W／mg。     

基于实验本构关系的接触电阻预测方法研究

双极板与扩散层之间的接触电阻是导致质子交换膜燃料电池功率损失的重要因素.研究接触电阻的影响因素与形成规律并对其进行准确预测,对提高和优化质子交换膜燃料电池性能具有重要意义.提出了接触电阻本构关系的概念和基于实验本构关系的接触电阻预测方法.通过平板压缩试验测得了石墨-扩散层的接触电阻与接触压力实验本构关系.采用实验本构关系预测了不同装配压力下石墨双极板与扩散层间的接触电阻,并与实测结果进行了对比.结果表明,提出的基于实验本构关系的接触电阻预测方法是可行的.