氢气进气压力对空冷PEMFC性能的影响

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有自增湿、质量轻、系统操作简单等特点,适合应用于无人机等领域。氢气进气压力是影响空冷型PEMFC电堆性能的一个重要因素。以1 kW阴极开放式空冷型PEMFC电堆为研究对象,对比了不同氢气进气压力对单片电池电压及其一致性、电堆输出电压、输出功率以及氢气利用率的影响。研究结果表明,氢气进气压力越高,单片电池电压、电堆输出电压和功率越高,大电流下单片电池电压的一致性越好;此外,本实验利用排水法收集阳极尾气并计算氢气利用率,氢气进气压力越高,系统氢气利用率越低。     

PEMFC电堆动态工况响应性能试验

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆动态响应特性对PEMFC电堆的耐久性和可靠性具有很大影响。本文试验考察了PEMFC电堆在动态工况下的输出性能、单电池电压均衡性变化和动态响应特性。结果表明,在整个动态运行工况下,电堆运行良好,进出口冷却液温差小于5℃。电流阶跃变化时电堆电压均衡性出现突增变化,同时随着电流的增大,稳态时电堆均衡性变差。在超负荷（200A）运行工况下,电堆各单电池之间输出差异变大,均衡性持续变差,电堆中间和前端单电池电压明显降低。此外,在整个动态响应过程中电流阶跃上升时的电压最大下冲值比电流阶跃下降时的电压最大上调量大,但输出电压能在10s内达到相对稳定的状态（电压波动率＜0.02）。通过该研究,以期为实际车载电堆运行和控制优化提供参考。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明：小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明：小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。     

质子交换膜燃料电池启动策略的实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在启动时各单片电池将出现高电压,而高电压会加速催化剂碳载体的腐蚀,进而影响电堆的性能。为了降低燃料电池启动时形成的高电压和缩短高电压维持的时间,本文通过实验研究对比分析了常规启动、联合最低单片电压启动和减小氢气进气压力启动3种不同启动方式对PEMFC的影响,提出了一种新的PEMFC启动策略。该策略是减小电堆启动时氢气进气压力,当电堆最小单片电压值大于0.3V后立即切入10?启动负载。结果表明,该策略不仅可以明显降低电堆启动时最大单片电压值,还缩短了高电压维持的时间,有利于提高电堆耐久性,是一种十分有效的PEMFC启动控制策略。     

1.5 kW质子交换膜燃料电池堆动态工况响应特性

考察了自制1.5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态工况下的性能。研究了PEMFC电堆电压、功率、反应参数随车载工况运行出现的响应情况。发现在大电流密度下,由于各单电池的差异,电堆电压和功率出现比较明显的波动现象。在选定两个工况周期中,电堆各单电池电压的差异系数C_V最大达到4.23%,最高单电池电压和最低单电池电压相差0.106 V。数据分析表明在该动态工况下,PEMFC电堆的动态响应特性受到反应物和电堆温度变化、空气局部流量过大或不足以及电堆内部阳极和阴极出现明显压降等因素的影响。该研究不仅为后续耐久性测试提供分析依据,还对PEMFC电堆实际车载运行参数与控制策略的优化具有指导意义。     

无人机用燃料电池系统性能分析

建立了无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）动力系统性能随大气环境变化的数学模型,通过Matlab进行仿真,分析海拔高度对PEMFC系统运行状况和热力学性能的影响。结果显示: 随着高度的增加,系统输出电压、输出电功率及系统电效率呈下降趋势;当高度一定时,随着电流密度的增加,系统输出电功率有最大值,但电堆输出电压和系统输出电效率下降;氢气进气压力的增大使系统的输出电压、电功率和电效率逐渐增大;为了提高燃料电池系统在一定高度下的性能,需要选择合适的电流密度和较高的氢气进气压力。     

负载跟踪状态下的铝空气电池堆最优功率点优化方法

基于铝空气电池堆二阶等效电路,建立内阻特性和电气输出特性模型,研究操作条件对活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻和电堆总内阻的影响作用和变化规律;以电堆输出满足任意负载需求为前提,以总内阻最小为优化目标,基于“最优功率点”概念,提出一种基于粒子群算法的操作条件优化方法,获得最优工作温度、电解液浓度和输出电压等,实现电堆输出性能优化;通过仿真研究和实验研究,验证模型、方法的有效性和可靠性。研究结果表明:在负载跟踪状态下,电堆工作在最优功率点处其堆内总内阻最小;操作条件对电堆输出性能的影响作用和变化规律,在交流阻抗特性和U-I输出特性中的表现具有一致性;该优化方法能够提高电堆输出性能,减少堆内能量损耗。     

水冷PEMFC热管理系统流量跟随控制策略

针对传统温度控制策略在水冷型质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）工作中水泵和散热器风扇存在的强耦合性,并为了提高电堆的工作性能和寿命,提出一种流量跟随电流的温度控制策略,根据电堆电流变化调节冷却水流量来控制电堆冷却水进出口温差,通过PID控制器调节散热风扇控制电堆入口温度。在水冷PEMFC热管理平台上对传统控制策略、流量跟随控制策略做了实验对比。结果表明,流量跟随电流控制策略使冷却水出口温度最大超调量减少64.3%,冷却水出入口温差最大偏差减少46.7%,调整时间平均缩短73 s,达到了较高的控制精度和响应速度,削弱了水泵和散热风扇的强耦合作用,流量跟随电流控制策略能够满足PEMFC系统对温度控制的要求。     

水冷PEMFC热管理系统流量跟随控制策略

针对传统温度控制策略在水冷型质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)工作中水泵和散热器风扇存在的强耦合性,并为了提高电堆的工作性能和寿命,提出一种流量跟随电流的温度控制策略,根据电堆电流变化调节冷却水流量来控制电堆冷却水进出口温差,通过PID控制器调节散热风扇控制电堆入口温度。在水冷PEMFC热管理平台上对传统控制策略、流量跟随控制策略做了实验对比。结果表明,流量跟随电流控制策略使冷却水出口温度最大超调量减少64.3%,冷却水出入口温差最大偏差减少46.7%,调整时间平均缩短73 s,达到了较高的控制精度和响应速度,削弱了水泵和散热风扇的强耦合作用,流量跟随电流控制策略能够满足PEMFC系统对温度控制的要求。     

Theoretical Model for the Optimal Design of Air Cooling Systems of Polymer Electrolyte Fuel Cells. Application to a High‐Temperature PEMFC

The cooling system of a high‐temperature PEM fuel cell with a nominal electric power of 1.5 kW for a combined heat and power unit (CHP) has been designed using a thermochemical model. The 1D model has been developed as a simple, predictive, and useful tool to evaluate, design, and optimize cooling systems of PEM fuel cells. As proved, it can also be used to analyze the influence of different operational and design parameters, such as the number and geometry of the channels, or the air flow rate, on the overall performance of the stack. To validate the model, predicted results have been compared with experimental measurements performed in a commercial 2 kW air‐forced open‐cathode stack. The model has then been applied to calculate the air flow required by the designed prototype stack as a function of the power output, as well as to analyze the influence of the cooling channels configuration (cross‐section geometry and number) on the heat management. Results have been used to select the optimum air‐fan cooling system, which is based on compact axial fans.     

冷凝条件对基于混合工质的内燃机余热有机朗肯循环热力性能的影响

利用建立的内燃机余热有机朗肯循环模型,选取R245fa分别与环己烷、环戊烷组成非共沸混合工质,对3种冷凝条件下的有机朗肯循环进行热力学分析,研究了冷凝条件对非共沸混合工质有机朗肯循环性能的影响规律,提出了确定混合工质冷凝温度的方法。结果表明：冷凝条件是影响系统性能的重要因素,在定泡点冷凝温度工况下,纯工质的热力性能优于混合工质的热力性能;在定露点冷凝温度工况下,配比合适的混合工质的热力性能优于纯工质的热力性能。混合工质的冷凝温度应根据冷却介质进出口温度、混合工质的温度滑移和传热窄点温差进行优化;当冷却介质的温升小于混合工质的最大温度滑移时,随着R245质量分数的增加,系统输出净功出现两个极大值,但输出净功最大值出现在热力性能较优工质所占比例大的质量分数点;当冷却介质温升大于混合工质的最大温度滑移时,输出净功最大值出现在温度滑移最大的混合工质质量分数点。     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

空冷型质子交换膜燃料电池堆最优性能输出控制

空冷型质子交换膜燃料电池具有结构简单、自身能耗低等特点,在便携式电源研究领域有着良好的应用前景。本文通过实验研究环温和负载变化对电堆工作温度的影响关系,揭示温度和湿度特性对电堆输出性能的影响规律。通过建立基于遗传算法优化的温度特性模型,应用模糊-PID融合算法,设计电堆温度控制器,以及根据各电流输出段的湿度特性,采用不同方式控制尾气排放周期,最终保证电堆输出性能最优。     

热驱动的双模式冷电联供系统的性能分析

有机朗肯循环（ORC）与吸附式制冷结合的冷电联供系统可实现对低品位热能较好的回收利用。针对应用中存在有/无须制冷情况,提出了一种热驱动的双模式ORC-吸附式冷电联供系统,并建立数学模型进行性能对比分析。冷电联供时,ORC和吸附式系统分别输出电和冷;电力单供时,吸附式系统制出的冷水直接用于冷却ORC系统冷却器,获得更大的电输出。数值计算结果表明,与单一ORC系统、单一吸附式系统和传统单模式ORC-吸附式冷电联供系统相比,双模式ORC-吸附式冷电联供系统在可获得更佳的性能,且在高热水温度条件下,性能优势更加明显。