风氢耦合发电系统建模与分析

通过分析风氢耦合发电系统和各关键设备的工作原理，建立了风力发电模型、碱式电解槽模型、压缩机储氢罐模型以及质子交换膜燃料电池模型。研究了碱式电解槽工作温度对其输出电压、电流和功率的影响，质子交换膜燃料电池工作温度和阴阳两极气体压力对其输出电压和功率的影响，从而分析了制氢模块和发电模块的工作性能对风氢耦合发电系统性能的影响。通过模拟仿真研究风速、碱式电解槽工作温度和质子交换膜燃料电池工作温度对系统发电量的影响。结果表明:适当提高碱式电解槽的工作温度可增大其工作电流，从而提高制氢模块的制氢量；提高质子交换膜燃料电池的工作温度和阴阳两极气体压力可提高其输出电压和输出功率，从而增加发电模块的发电量，进而提升风氢耦合发电系统的工作性能。     

质子交换膜燃料电池发电系统建模与分析

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统进行动态建模和分析,模型包括质子交换膜燃料电池,供气系统和直流-直流(DC-DC)变换器等部分。首先建立用于预测燃料电池电化学特性和反应气体压力特性的集中参数动态模型,同时给出了供气系统和DC-DC转换器的动态模型,也给出了比例积分型DC-DC变换控制器的设计方法。然后仿真和分析了PEMFC发电系统对快速变化负载的动态响应。采用Matlab-SIMULINK软件对5kW的PEMFC发电系统进行仿真。仿真结果表明系统模型结构简单,计算量小;PEMFC发电系统能够满足快速负载功率需求,满足不同负载的使用要求。     

质子交换膜燃料电池机理与ANN混合模型的建模与仿真分析

提出了一种新型的混合燃料电池模型,描述了该混合模型包括机理部分和黑箱部分(即神经网络部分).机理部分用来体现质子交换膜燃料电池性能,神经网络部分用来表现所不知或者不能用机理模型来表现出来的质子交换膜燃料电池性能,认为可以再现质子交换膜燃料电池的各种特性.仿真结果表明,该混合质子交换膜燃料电池模型具有比单独的机理模型或神经网络模型更高的精度.     

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。     

低压PEMFC系统设计与仿真验证

以一型发电功率大于15 kW的质子交换膜氢燃料电池系统开发为例,详细介绍了低压质子交换膜氢燃料电池系统总体设计理念,给出了空气供给、氢气供给、冷却散热三个关键辅助子系统的零部件匹配设计方法和选型依据。采用验证过的系统仿真模型对该15 kW工程样机的系统效率和输出功率进行了仿真预测,计算结果表明该系统性能指标满足预期设计要求。     

PEM燃料电池的应用前景

概括了质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的优缺点以及目前国内外在备用电源、应急照明电源以及通讯指挥系统电源方面的应用研究状况;分析了PEMFC发电系统的组成和总体设计方案;探讨了PEMFC发电系统在军事方面的应用前景;认为质子交换膜燃料电池在军事应用中有很高的价值。     

质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。     

PEMFC分布式发电的适用性仿真分析

为了解质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用于分布式发电的适用性,获取对其发展和建设具有参考价值和指导意义的结论,在现有的建模方程基础上,采用经过改进的等效电路,模拟对有限区域独立供电时可能发生的用电需求变化情况,进行了质子交换膜燃料电池分布式发电系统的仿真实验。从仿真中观察到的电流、电压及系统输出功率变化情况表明,采用质子交换膜燃料电池分布式发电系统时,应当根据供电区域的用电需求设置系统在适当的输出功率范围内运行,以获得稳定而良好的供电质量,提高系统的使用率。     

PEMFC低温起动研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有环境友好、效率高和室温可快速起动等优点,被认为是汽车的首选动力源。分别对PEMFC的质子交换膜、催化层、扩散层、低温扫气及其建模的低温研究现状进行了详述,并提出了今后质子交换膜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系统开发及应用进展

本文简要叙述了质子交换膜燃料电池发电机理,列举了系统开发工作中所面临的富氢燃料转换,氢气安全贮存与稳定供给等若干课题。文章重点介绍了目前国外质子交换膜燃料电池系统开发及应用进展情况。     

质子交换膜燃料电池设计与制作

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置,当外部持续供给燃料和氧化剂时,燃料电池可以连续发电。以小功率质子交换膜燃料电池为设计目标,介绍了燃料电池的工作原理,对双极板结构、膜电极、绝缘板、密封装置、散热装置、集流装置、电压调整功率模板等重要部件及质子交换膜燃料电池整体结构进行了设计。通过样机测试,参数达到了设计要求,并进一步讨论了设计要点。     

质子交换膜燃料电池的热模拟

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的热问题模拟现状,根据研究问题的需要,对模拟相关的模型进行了描述,并应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟。从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论,得出了结论:热源、温度在质子交换膜电池内部分布的不均匀性和不同电流密度情况下膜电极组件的温差。电池性能曲线与试验结果进行了比较,模拟与试验结果基本吻合。     

国产材料燃料电池膜电极的性能研究

为降低燃料电池成本,促进国产燃料电池关键材料的广泛应用,利用国产石墨碳纸、国产全氟磺酸质子交换膜、国产Pt/C催化剂等燃料电池关键材料,采用基于固体电解质支撑催化层的工艺制备了膜电极多层组件.并组装了常压氢-空质子交换膜燃料电池,并对电性能进行了测试分析.通过对国产材料膜电极催化剂层载量、平整层载量以及制备工艺的优化,制备出了性能稳定的高性能国产材料膜电极.实验结果表明,在常压、操作温度为60℃、加湿温度50℃的条件下,国产材料H2-Air燃料电池的最高比功率可达到0.55 W/cm2.实验表明.国产材料膜电极活性面积从5cm2增大到25 cm2.电池在0.5 V至开路区间的电性能几乎没有衰减,为大面积电堆的应用打下了坚实的基础.     

台湾质子交换膜燃料电池的研发

燃料电池由于直接将化学能转换成电能,能源转换效率高于一般传统能源技术,同时由于环保无污染的特色,所以也几乎不需任何后处理。简单介绍了6种不同类型的燃料电池,虽然到目前为止燃料电池仍未能完全大量商业化应用,不过质子交换膜燃料电池近期商业化潜力相当大,而2002年6月台湾燃料电池伙伴联盟正式成立,主要目的即为提倡燃料电池技术应用。针对质子交换膜燃料电池的研发工作已展开,主要集中在系统的开发与应用,并已成功开发出千瓦级纯氢定置型发电系统。虽然燃料电池具有许多优于传统能源技术的特点,但是诸如氢气供应、价格等许多商业化的障碍仍然有待克服;长期而言,再生能源与燃料电池结合可能在能源供应方面扮演相当重要的角色。     

PEMFC 0℃以下保存与启动研究进展

针对在低于0℃的环境中,质子交换膜燃料电池中的结冰问题,提出了燃料电池0℃以下保存和启动的技术难题。简述了0℃以下质子交换膜燃料电池中水结冰对质子交换膜、催化层、扩散层等电池材料与部件的影响,并对国内外燃料电池0℃以下保存和启动策略研究进展作了简单介绍,概述了保持电池内部温度大于0℃、有辅助装置的0℃以下保存和启动以及无辅助装置的0℃以下完全自启动三种解决办法,提出了在材料研究的基础上展开电堆启动策略的研究,实现电堆0℃以下自启动。     

质子交换膜燃料电池模型研究进展Ⅰ.膜的模型、电极的模型和经验模型

数学模型是分析和优化燃料电池性能的有效工具,质子交换膜燃料电池的模型研究是其技术发展和创新中必不可少的重要工作。对质子交换膜燃料电池模型的研究情况进行了综述,分别介绍和分析了描述质子交换膜的模型,描述电池电极的模型和描述电池性能的经验模型,最后提出了在上述模型研究中须要解决的一些问题。     

质子交换膜燃料电池的电响应研究

通过暂态实测方法,研究了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的动态响应及电压建立。通过使用燃料电池测试系统、高精度示波器和自行设计的开关电路,在不同的运行条件下对PEMFC的电响应进行测量,实验结果证明PEMFC的动态响应和电压建立与其运行条件以及单体电池在电堆中的位置有非常紧密的联系。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

PEM fuel cell testing by electrochemical impedance spectroscopy

Nowadays, proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are candidate as middle term power sources for automotive, stationary generation and portable power applications. In order to introduce these devices into the market an improvement in their performances seems necessary, as well as the development of an effective control system able to find their optimal operating conditions. This paper deals with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using an effective tool, where a cost-effective measurement hardware has been developed creating a software to analyze the results. Both single fuel cells and stacks have been tested in various operating conditions. This experimental approach allows to highlight variations of model parameters and to perform a further analysis of the processes occurring in a fuel cell through electrical circuit models. A special attention is given to the experimental results, in order to address fuel cell malfunctions using the EIS approach as an effective diagnostic method.     

An improved small-signal model of the dynamic behavior of PEM fuel cells

The dynamic behavior of a fuel cell is integral to the overall stability and performance of the power system formed by the fuel supply, fuel cell stack, power conditioner, and electrical load. Present-day fuel cells have transient (dynamic) responses that are much slower than the responses of the typical power conditioner and load to which they are attached. This disparity has significant implications on the overall power system design. In particular, some form of energy storage with adequate quick charge/discharge capability is usually needed to provide firm power backup during electrical load increases. This paper describes an effort to improve the small-signal modeling of a proton exchange membrane fuel cell's dynamic behavior as an initial step toward prescribing internal design modifications and/or external controller designs to improve its transient behavior. Such improvements will allow for reduced energy storage while increasing the number of suitable storage technology options. Simulation results obtained from the proposed model are presented along with corresponding test results, which show generally good agreement with each other and indicate that this model is to be preferred to another one.