PEMFC船形堵块阴极流场的性能

建立流体体积(VOF)两相流模型,研究船形堵块流道的排水性能。建立不同开孔率的船形堵块流道三维模型,研究船形堵块及开孔率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。船形堵块流道峰值净功率密度相较于传统直流道可提升9.4%,相较于同堵塞率下的梯形堵块流道可提高2.9%,具有较好的强化传质作用。通过提高船形堵块流道的开孔率,PEMFC可以获得更好的性能。在相同开孔率下,船形堵块流道的氧气摩尔浓度较直流道和梯形堵块流道分别提高28.6%和14.0%。结果表明,相较于传统直流道,船形堵块流道可降低排水周期和流道内平均水含量,具有更好的排水性能。

兆瓦级PEMFC系统的设计和应用

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可实现电力和热力的联合供应,是支持零碳能源战略的重要技术路径。对兆瓦级PEMFC系统进行介绍与分析,对工程化应用中的实践提供逆变器、变压器、板式换热器和能量管理系统等部件的选型依据与建议,并指出在系统运行中自耗电占比最高的部件为空压机和散热风扇,分别占自耗电总功率的82.0%和10.7%。兆瓦级PEMFC系统在氯碱工厂中的商业化应用,可将原本排空的氢气发电,提高厂区能量利用效率,创造经济效益。

PEMFC压差流道构型特征参数对电池性能的影响

针对质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)压差流道构型尺寸对电池电化学性能影响机理不明的问题,研究流道高度和脊背宽度对压差流道和直流道在氧气浓度、水浓度分布特征和电流密度、功率密度、压降等方面影响规律,并对两者进行了对比分析,结果表明流道高度对压差流道和直流道性能影响较小,压差流道在脊背宽度为1.25 mm和1.50 mm时具有明显优势;进一步研究压差流道变压区对流道性能的影响,结果表明变压区高度为0.05 mm和长度为1.50 mm时,压差流道峰值功率密度最高。综合考虑功率密度和压降的影响,选择压差流道高0.40 mm、宽1.25 mm、脊背宽1.25 mm、变压区长1.50 mm、高0.05 mm,此时压差流道峰值功率密度为0.3661 W/cm^(2),相较于直流道峰值功率密度提升6.3%。

车载PEMFC空气供给系统OER控制研究

过氧比(oxygen excess ratio,OER)是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)输出性能及安全性的重要影响参数,控制OER达到最优值可有效提高系统输出的净功率。针对PEMFC空气供给系统OER控制问题,文章利用MATLAB/Simulink平台建立PEMFC空气供给系统四阶模型,并进行系统动力学特性分析,验证模型有效性;设计3种控制器对OER进行控制,包括前馈比例-积分-微分(feedforward proportion integration differentiation,FF+PID)控制器、前馈自适应模糊PID(feedforward self-adaptive fuzzy PID,FF+SFPID)控制器及滑模控制器(sliding mode controller,SMC)。在输入扰动的情况下,对比分析了定OER及最优OER下不同控制器的控制效果。仿真结果表明,SMC对于OER的控制具有更短的调节时间且未出现超调现象,抗干扰能力更强,在动态特性和稳态特性上均优于其他2种控制器。

加长加宽的PEMFC电堆应力分布一致性仿真与优化

质子交换膜燃料电池可以通过扩大电堆的活性区域反应面积来获得更高的功率,但电堆反应面积扩大后,容易导致膜电极应力分布的不均匀性增加,从而引起燃料电池电化学性能的下降.为此,本研究设计了4种不同结构尺寸的燃料电池电堆,结合等效刚度模型法和有限元软件,分析了扩大反应面积的电堆结构对膜电极应力分布均匀性的影响,并进一步优化电堆内钢带的安装位置,以提升电堆内部接触压力分布均匀性.研究结果表明,膜电极接触压力分布的均匀性对反应区域宽度的变化较为敏感,当活性区域尺寸加宽,电堆内部活性区域的平均应力标准差增加了23.2%.而当活性区域加长,或同时加长和加宽时,相应增加一根捆扎钢带使电堆内部活性区域的平均应力标准差分别减小了8.6%和8.7%,表明适当增加捆扎钢带的数量可以提高电堆内部接触压力分布的均匀性.此外,钢带位置优化结果显示,电堆外侧钢带越靠近端板侧面时,电堆内部活性区域的应力分布越均匀.

不同铂碳比下PEMFC梯度阴极催化层性能数值模拟

建立耦合团聚物模型的二维、两相、非等温的质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究在不同铂碳比(Pt/C比)下,阴极催化层(CCL)梯度设计对燃料电池性能的影响。结果表明,当Pt/C比为0.6时,铂载量梯度设计能增强燃料电池性能,但当Pt/C比为0.3时会削弱其性能。而对于铂载量和电解质含量梯度设计,随着Pt/C比降低到0.3,该设计有更低的氧局部传输阻力,使其氧气供应更充足、浓差损失减少、氧饥饿现象消失,从而实现电流密度增幅进一步增大。

工作电压对PEMFC膜电极衰退影响模拟研究

为研究长期稳定运行条件下,工作电压对质子交换膜燃料电池膜电极衰退状况的影响,建立了包含碳腐蚀、Pt氧化与溶解以及离聚物降解的PEMFC多物理场耦合模型进行数值模拟。研究结果表明:随着工作电压增加,阴极催化层中Pt溶解与碳腐蚀速率加快,500 h后Pt表面氧化的区域大幅增加,阴极催化层中团聚体半径与质子交换膜中磺酸基团浓度剧烈减小,衰退区域主要集中在阴极入口处且高电压下衰退程度急剧增加。电池在0.8 V下运行500 h后,阴极入口处阴极催化层与膜厚度显著减小,分别降低13.62%与35.30%;阴极催化层电化学活性面积和膜的离子电导率分别减小59.9%与6.9%,膜的当量质量增加7.4%,且上述指标前100 h内衰退剧烈,随后逐渐趋于平缓。可为膜电极材料设计与控制策略的优化提供参考。

基于多场协同的PEMFC双梯形渐缩流道结构性能分析和评价

流道结构的优化设计是提高质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)综合性能的有效路径。该文针对PEMFC的流道结构,提出一种新的双梯形渐缩流道,构建并验证其三维数值仿真模型;基于场协同理论提出PEMFC中的多场协同性能分析评价方法。通过对比平行梯形流道和渐缩梯形流道,发现渐缩流道电池的输出功率、氢气利用率以及膜排水能力均得到有效提升,同时可降低最大温度梯度。基于提出的多物理场协同性评价指标,发现渐缩流道PEMFC与平行梯形流道PEMFC相比,在阴极/阳极流道内浓度场、温度场与速度场的协同性能均提高,在两催化层内传热传质与传递电动势协同性能平均提高约10.4%,膜内的水分浓度场、温度场与速度场的协同性提高25.3%。结果可为改善PEMFC的性能提供一定理论基础。

聚1,5-二氨基蒽醌改性PEMFC用GDB的耐久性

气体扩散层支撑层(GDB)中疏水材料的流失会加速质子交换膜燃料电池(PEMFC)耐久性的下降。采用高恒电位的方法加速测试电化学沉积聚1,5-二氨基蒽醌(P15DAAQ)疏水处理PEMFC用GDB的耐久性,并用四电子探针法、循环伏安法等进行分析。与由聚四氟乙烯(PTFE)浸渍制备的PTFE-GDB进行对比,发现P15DAAQ-GDB在高电压、酸性环境下的稳定性更差。P15DAAQ的流失,导致P15DAAQ-GDB气体扩散层的水管理能力下降,造成膜电极组件(MEA)性能下降。经过1.45 V高电位96 h的耐久性测试后,P15DAAQ-GDB组装MEA的峰值功率仍有1.789 W/cm^(2)(初始性能的90.17%)。

硫化钼改性的碳载体对提高PEMFC抗CO性能的研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极铂(Pt)的一氧化碳(CO)中毒问题限制了燃料电池的大规模商业化应用。报道了一种用于氢氧化反应的耐CO的燃料电池阳极催化剂,该催化剂由硫化钼(MoS_(2))改性的导电炭黑载体以及沉积在载体上的Pt纳米颗粒组成,命名为Pt/C-MoS_(2)。采取透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)及电化学测试等方法表征了不同MoS_(2)含量的催化剂的结构、组成以及性能。实验结果表明,硫化钼的添加提高了催化剂的CO抗性,载体中硫化钼含量为10%的样品(Pt/C-MoS_(2)-10)表现出最佳的性能。单电池测试的结果也验证了Pt/CMoS 2-10催化剂CO抗性的提高。

微孔间距和孔径对PEMFC气体扩散层表面液滴流动传输特性的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是最具潜力的新能源汽车动力装置之一,其性能受到气体扩散层(GDL)表面液滴的形成及动态传输特性的影响。本文以格子Boltzmann方法(LBM)的伪势模型为基础,对液滴从GDL表面浮现、生长和脱落等动态过程进行了仿真模拟,详细分析了微孔间距和孔径对气体扩散层表面液滴动态特性以及流道内压降的影响。研究结果表明在双进水孔的情况下,两个微孔小于某一个微孔间距时,两个液滴会发生融合,融合后的液滴会增大气流通道内的压降,缩短液滴排出的时间,当两个微孔孔距足够大时,两个液滴之间几乎没有相互影响,液滴排除时间相等,且流道内压降随着微孔间距的增加而降低。不同孔径的液滴在GDL表面的运动主要受气体作用剪切力的影响,与下游孔径大于上游孔径液滴的运动周期相比,上游孔径比下游孔径大时,液滴的运动周期更短。

PEMFC热电联供系统设计与性能研究

在保证发电效率的前提下,文章设计并搭建一种可直接利用带有废热的冷却水进行热回收的新型质子交换膜燃料(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)热电联供系统,并测试电堆实际运行时的动态响应与输出性能以及PEMFC热电联供系统的热效率与电效率。结果表明:PEMFC电堆可以稳定输出功率并且动态响应迅速;随着电堆输出功率的增加,系统电效率下降,系统热效率和系统总效率增加;与PEMFC单独发电时的系统效率相比,热电联供模式下系统总效率最高可达85.47%,提升了38.06%,大幅提高了能源利用率。

具有堵块结构的PEMFC阴极流场的传质性能

建立具有堵块结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极流场模型,分析堵块的布置方式(上方、下方、上下交错)和孔隙率对流道和扩散层内气体流动特征(速度、压力和氧气摩尔浓度等)的影响,以及对流道中间和出口处堵块的前中部位垂直于流道方向的传质影响。通过可视化实验分析液态水在具有不同堵块高度流场中的运动特性。当矩形堵块布置在流道上方时,在中间和出口处堵块的前中后部位都能获得更好的垂直于流道方向的传质性能;流道上方布置矩形堵块能加速液态水的排出。当堵块高度为50%流道高时,流场大多数液滴的灰度值为40~70,已经对流道造成堵塞;当堵块高度为70%流道高时,多数液滴的灰度值为70~90,且较多液滴分布在流道出口处,液态水排出较为通畅。

PEMFC阴极流道结构的优化数值模拟

阴极流道结构的优化,可提升质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能。提出一种在正方体上加工通孔使截面呈格栅状挡块的设计。创建将格栅挡块加入到PEMFC阴极流道中的三维(3D)模型,研究对PEMFC性能的影响。在固定开孔率为0.36的前提下,开孔数量越多,PEMFC性能越好。当开孔数量为25时(GB-25),PEMFC的功率密度与未添加格栅挡块(GB-0)的相比可提高17.0%。研究多个格栅挡块在阴极流道中的排列方式对PEMFC性能的影响,发现当多个开孔数量为16的格栅挡块等距分布在阴极流道末端时(GB-16-3BE),PEMFC的性能最好,功率密度与GB-0的相比,提升了19.8%。

薄膜PEMFC无加湿运行工况区间研究

为探究相对湿度对薄膜质子交换膜燃料电池性能的影响,建立了阴阳极流场流道相互垂直形式的薄膜燃料电池三维稳态模型进行模拟研究,同时以相同结构的电堆进行实验验证。结果表明:对于12μm薄膜质子交换膜燃料电池(PEMFC),在一定背压(100~250 kPa)与温度范围(70~90℃)内,以及阴极相对湿度为0/100%、阳极相对湿度为0运行时,I-V曲线上存在加湿后性能提升、不变及下降三个区间;加湿后性能提升与不变区间随温度升高而减小,随压力增大而增大;加湿后性能下降区间随温度升高而增大,随压力增大而减小。在80℃、150 kPa条件下,电池在低于1200 mA/cm^(2)运行,加湿后性能略有提升,在1200~1400 mA/cm^(2)加湿后性能没有变化,在高于1400 mA/cm^(2)加湿后性能下降。说明该结构的电池可以实现无加湿运行。

考虑运行参数可寻优范围的PEMFC系统净功率优化

质子交换膜燃料电池电堆的运行参数对电堆输出性能和空压机、循环水泵和散热风扇等辅助设备的寄生功率都会产生影响,可通过对电堆运行参数进行优化来实现系统最大净功率输出目标。实际系统受到空压机性能和背压阀调节能力的限制,阴极运行参数的调节范围存在界限,本文基于MATLAB/Simulink软件建立62 kW燃料电池系统模型,通过仿真分析确定了各负载电流下的参数可优化范围,采用遗传算法对电堆温度、阴极压力和过氧比进行了优化。结果表明:在各负载电流下,提升电堆温度都有利于增加系统净功率,最优运行温度均为80℃。而过氧比和阴极压力在不同的负载电流下的优化方向是不同的;在低负载电流(50、100 A)下增加过氧比和阴极压力时,电堆输出功率的增长小于寄生功率,提供较低的过氧比和阴极压力有利于提升系统净功率;高负载电流(300A)下,低过氧比和阴极压力会限制电堆输出功率,最低净功率仅为35.530 kW;合理增加过氧比和阴极压力后,获得的最优净功率为53.271 kW,通过运行参数优化可实现49.9%的净功率提升。

PEMFC催化层疏水性对冷启动冰容量的影响

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)冷启动问题是制约其产业发展的重要因素之一,其中冰容量是衡量冷启动的一个重要指标,冰容量越大,冷启动性能越好。普遍认为冰容量只受阴极催化层和质子交换膜的储水量影响,而忽视了催化层排水量。提出催化层排水量也会对冰容量产生较大影响,并首次将冷启动期间催化层排水量纳入冰容量计算。结合试验数据和理论计算分析发现催化层排水量对冰容量的贡献甚至可以达到50%。利用疏水碳载体催化剂提高催化层疏水性,研究催化层疏水性对排水量和冰容量的影响。结果发现在−7℃下,疏水处理后的膜电极排水量增大引起的容量增加了0.75 mg/cm^(2),提升幅度达到了38.2%。这表明提升催化层疏水性、增加排水量可以提升冰容量,并且启动温度越高提升幅度越大。最后,冻融循环(F/T)测试表明疏水性高的催化层冰容量更加稳定。

基于泡沫金属流场结构的PEMFC性能研究

采用十四面体结构建立了具有泡沫金属流道的质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,基于模型研究了泡沫金属流道的孔密度及孔隙率对氧气摩尔分数分布、水摩尔分数分布、极化曲线与功率密度曲线的影响。结果表明,降低泡沫金属孔密度、提高泡沫金属孔隙率能够提高反应气体在流道内的摩尔分数分布均匀性,并降低流道内的水摩尔分数,增强PEMFC输出性能。此外,当孔密度为28 in(-1)、孔隙率为96%时,PEMFC峰值功率密度为0.548 22 W/cm^(2),比孔密度为85 in^(-1)、孔隙率为96%和孔密度为28 in^(-1)、孔隙率为78%时分别提升了6.55%和9.89%。

几何挡板对PEMFC性能的影响与优化

为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,采用在流道内添加挡板改变流道结构的方式,以有效提高反应气体的电流密度和传质特性。提出在PEMFC单直流道中添加4种不同的几何挡板流道结构,通过研究其不同结构型挡板对反应气体传输特性的影响。研究结果表明:在流道中添加挡板,使更多的反应气体渗透到气体扩散层,促进质量传递,PEMFC的整体输出性能得到明显提升;同时,添加挡板可以使反应气体质量传递更佳,相对气体均匀分布,水物质的量分数减少,有效避免水淹现象,排水能力更好;流线形挡板为此类挡板中性能更为优异的;优化后的单条流道中设置5个流线形挡板的PEMFC性能最好,相较于无挡板常规流道,当工作电压为0.1 V时,无挡板流道的电流密度为1.237 3 A/cm^(2),优化后的挡板结构流道电流密度为1.536 9 A/cm^(2),提升约24.2%,峰值功率密度则提高了17.7%。

基于P-L双重特征提取的PEMFC系统故障诊断方法

针对质子交换膜燃料电池系统故障诊断问题,提出基于P-L双重特征提取的故障诊断方法。使用P-L双重特征提取对预处理后的样本数据进行特征提取,通过冗余变量剔除与二次特征提取,最大程度保留分类特征并有效降低样本数据维度。利用二叉树多类支持向量机与极限学习机对二维故障特征向量进行分类实现故障诊断。通过实例验证,对比线性判别分析的特征提取效果,P-L双重特征提取可使相同分类器测试集诊断准确率提高21.19%,诊断准确率达99.27%,实现了PEMFC系统膜干、氢气供应故障的精准快速诊断。