动态响应对质子交换膜燃料电池性能影响研究

基于工况变化复杂,动态负载对车用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发动机的影响备受关注。由于其动态特性,燃料电池动态输出在一定程度上影响着电池的性能和寿命。研究PEMFC单电池在动态负载变化时的动态特性,通过瞬态测试方法,结合理论分析,对PEMFC动态响应特性的多个方面进行研究。研究了气体流量、加湿度等操作条件对PEMFC动态响应的影响。结果表明,当阴极空气化学计量比大于3时,在低电流密度区,PEMFC低调差别不明显,高电流密度区由于水的堆积,依然有较大差别,电流密度阶跃越大,其差别越大;阴极空气加湿湿度太低或者太高都会引起PEMFC动态响应的较大变化,PEMFC的动态响应性能在高于50%但是小于100%加湿,会达到一个很好的动态响应性能。

负载对PEM燃料电池瞬态响应特性的影响

利用暂态测量方法,比较了纯阻性负载和纯感性负载及加载方式对质子交换膜燃料电池(PEMFC)瞬态响应特性的影响。结果证明,PEMFC瞬态响应与电池负载类型、负载的加载方式有密切联系。同样的阶跃电流,PEMFC加载纯阻性负载比加载纯感性负载响应时间更短,低调量更小。感性负载由于其自感效应会带来更长的响应时间和更大的低调量。PEMFC加载纯阻性负载时,固定电流加载方式电压低调量稍大,而固定电压的加载方式不会带来低调电压;两种加载方式的响应时间接近。总之纯阻性负载、固定电压方式加载的情况下,质子交换膜燃料电池瞬态响应特性最佳。

氧浓度对PEMFC动态响应的影响

通过瞬态测试方法,结合理论分析,依据空气/氧气同样条件下的动态负载试验对比,分析阴极氧浓度对PEMFC动态响应特性的影响。结果表明:当化学计量比为1.2时,氧气的低调几乎没有随着电流密度阶跃增大而增大,而空气测试时低调和响应时间随电流阶跃增加呈现明显的线性增加;当空气和氧气流速相同时,氧气低调变化很小,但是过量的氧气破坏了电池的水平衡,导致响应时间大大增加;随氧浓度增加,PEMFC动态响应的低调和响应时间线性减少。

阳极气体杂质对PEM燃料电池性能的影响

气体中的杂质对燃料电池的毒化影响是阻碍质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化的主要原因之一。综述了阳极气体杂质(CO、CO2、H2S、NH3和各种碳氢化合物)对电池性能的影响,并进行了比较。研究表明,杂质对电池的影响与杂质浓度、电池温度、电流密度、毒化时间以及气体压力等因素有关。

质子交换膜燃料电池极限电流密度分析

从分子运动理论出发,考虑扩散层对传质影响,按照扩散规律,建立一定的模型,对氢氧质子交换膜燃料电池的阴极和阳极极限电流进行了理论研究和具体计算。结果表明:极限电流都随扩散层厚度的增加而显著下降。在温度为60℃、压强为1个标准大气压的标准状态下,扩散层厚度为零时,氢气和氧气的极限电流密度最大分别为2.18×105A/cm2与5.45×104A/cm2;当扩散层厚度为0.2mm时,极限电流密度分别降至1.5×103A/cm2和2.2×102A/cm2。

PEMFC动态加载时的内阻特性

分析了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电阻组成,讨论了电池在不同加载策略下其电阻的动态变化情况,并结合在线测得的电池内阻值进行分析,从膜内水含量的角度讨论内阻变化原因,指出电池在不同电流密度下均对应一个相应的内阻值,电流密度越大,电池的内阻值越小;定义了起始内阻Ri的概念,发现电池动态加载时,起始内阻越小,极化程度越小;实验结果发现,电池水淹时内阻会持续下降,提出可以利用实时电池内阻的大小判断电池的实时运行情况。

四电极补偿法测量PEM电导率的研究

提出了一种稳态浴水交流四电极补偿的方法对质子交换膜P(EM)的电导率进行测量,采用这种方法测量时可以得到比较稳定的数据,重现实验测量误差小于0.3%;介绍了以DuPont公司生产的Nafion系列膜为例,采用这种方法对其电导率进行了测定,得到了这类膜在不同温度下的电导率参数。

电动汽车动力电池SOC估算方法综述

电池SOC估算是电动汽车电池管理系统中重要的一部分,由于电池SOC的估算受很多因素综合影响(如充放电倍率、环境温度、循环寿命、自放电等),所以很难保证SOC在实际应用中的估算精度。通过对SOC估算方法的综述,分析了各种方法的实现原理、优缺点以及目前应用情况等。研究表明,在实际的应用中,应依靠实验数据、提高硬件技术保证数据测量精度、引入电池模型、综合各种算法,扬长补短,从而提高SOC估算的精度。

动力型锂离子电池与燃料电池发展现状与展望

通过不同的方面对动力型锂离子电池和燃料电池进行了对比。原理上,锂离子电池是一种储能装置,而燃料电池是一种发电装置;在能量密度和寿命方面,燃料电池优于锂离子电池;在成本方面,燃料电池比锂离子电池成本高。在安全性与法规方面,燃料电池和锂离子电池均能满足使用需求,但是燃料电池法规相对落后,待进一步完善;在应用前景方面,短期锂离子电池比燃料电池更适用,长期燃料电池比锂离子电池更有发展前景。