温湿度变化对车用燃料电池输出性能的影响

研究温湿度变化对车用燃料电池输出性能(输出电压和功率)的影响可为高精度进气控制策略提供有效的依据。本工作提出了一个温湿度-电流(temperature and relative humidity-current,TRH-C)模型,该模型考虑了电池内部电化学反应、电渗迁移和加湿冷凝三部分水来源,揭示了电流随温湿度变化规律和由水活度表征的电渗迁移系数计算式。根据电池流道实物在计算软件COMSOL中建立网格,将TRH-C模型导入并应用有限体积法进行计算;搭建了燃料电池测试系统,在工作温度60℃和70℃、相对湿度分别为50%和100%条件下进行了实验并进行数据处理;并对通过TRH-C模型得到的极化曲线与实验数据进行比较,分析了电流密度和膜水含量分布云图。结果表明,TRH-C模型能预测燃料电池的性能,在工作温度为60℃、相对湿度为50%时,电压和功率密度的相对误差最大(电流密度为0.018 A/cm^(2)),分别为3.674%和3.696%。工作温度升高会导致膜水含量降低,但相对湿度增大会导致膜水含量升高。

不同温湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响

为研究不同温湿度对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)性能的影响,提出了一个温湿度-电流(temperature and relative humidity-current,TRH-C)模型。该模型纳入阴阳极流道的水流量和膜水含量,揭示了电流阶跃变化条件下温湿度对电流密度分布和膜水含量分布的影响规律。根据实验单电池真实的流道构型,建立了简化的PEMFC几何模型并划分计算网格,将TRH-C模型耦合至多物理场计算软件COMSOL中;建立了PEMFC测试平台,对不同温湿度工况下的PEMFC进行了测试,PEMFC的运行温度为65℃和70℃、进气湿度为50%和75%;分析讨论了不同工况下的极化曲线、膜电流密度分布和膜水含量分布云图。研究结果显示:TRH-C模型对PEMFC输出性能的预测较为精准,其对电压和功率密度的相对误差在运行温度为70℃、进气湿度为50%、电流密度为0.018 A/cm2时最大,最大值分别为7.306%和8.837%;提升运行温度和进气湿度均有助于改善PEMFC的性能,运行温度升高,膜电流密度分布均匀性波动较小,膜水含量有轻微降低;进气湿度升高,膜电流密度分布更均匀,膜水含量升高。研究为优化进气策略控制以及提高输出性能提供了新的理论方法。

相对湿度对PEMFC加载过程中动态响应的影响分析

为研究电流阶跃变化过程中相对湿度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)动态性能的影响,提出动态传热(DHT)数值模型。该模型考虑了相对湿度和阶跃电流对输出电压的影响,揭示出电流阶跃变化条件下相对湿度对质子交换膜(PEM)内水含量和电流密度分布的响应规律。通过自定义函数(UDF)将DHT模型导入Fluent软件并应用有限体积法进行计算;对工作温度60℃、负载电流的加载幅值5 A、阴极相对湿度100%、阳极相对湿度50%和100%条件下的PEMFC动态响应性能进行了评价;并将通过DHT模型得到的极化曲线和输出电压响应结果与实验数据进行了比较。结果表明:当阴极相对湿度为100%,阳极相对湿度100%的输出电压及最大功率密度优于50%相对湿度;阳极相对湿度为100%时,DHT模型与实验所得极化曲线间误差为2.18%;电流密度的分布与PEM膜内水含量和阳极侧气体加湿程度有关,阳极侧相对湿度提高,跨膜的电流密度分布均匀性下降;当阳极侧相对湿度为50%、100%时,加载前后膜内水含量分布的极差值分别为2.9和3.1 kmol/m^(3)、3和4.2 kmol/m^(3)。

阴极相对湿度对PEMFC电解质水含量及性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作过程中必须确保电解质的充分水合,且要避免凝结的液态水阻塞传质通道。为探究进气相对湿度对PEMFC电解质水含量及输出性能的影响,提出了阴极进气水含量(CIWC)模型。该模型考虑了膜电阻受温度和水含量的影响,推导了电解质水含量计算公式,将CIWC模型耦合进计算流体力学软件Fluent中进行计算。搭建了燃料电池测试平台,在工作温度为60℃,阳极相对湿度100%,阴极相对湿度50%、75%、100%工况下进行实验。将CIWC模型、Fluent内置模型的仿真值与实验值进行比较,并分析阴极侧电解质水含量、膜的电导率、水的摩尔分数分布。结果表明:当阴极相对湿度50%,电压为0.739 V时,CIWC模型精度比Fluent模型提高了17.67%;当阴极相对湿度100%时,CIWC模型与实验值最大相对误差为5.66%。随着阴极进气相对湿度的增加,电解质水含量在电压为0.75 V时不断增大,电压为0.6 V时趋于饱和,从空气入口到出口,电解质水含量、质子电导率、催化层水的摩尔分数沿着流场方向逐渐增大;当阴极相对湿度75%时,电解质水含量分布更均匀,电池输出功率密度最高为272.08 mW/cm^(2)。

基于科赫曲线的PEMFC新型流道设计

质子交换膜燃料电池流道结构对反应气体流动、热交换、电化学反应具有重要影响。目前,常见流道集中在蛇形、叉指形、点状形、波浪形、平行直流道以及相关改进流道,且在气体均匀性、水管理性能和输出性能上仍有待改进。受数学几何领域的科赫曲线启发,本团队提出了一种新型流道结构,即以圆心为中心向四周辐射,并在6条主干流道的基础上依次添加不同级别的分支流道,最终形成30个流道出口。建立三维稳态单向等温的燃料电池模型,在工作温度为60℃,进气相对湿度为100%工况下,搭建燃料电池测试平台进行实验,并借助ANSYS Fluent 2020进行仿真,模型仿真结果与实验结果基本吻合,验证了模型的有效性。将新型流道与传统蛇形流道仿真结果进行比较,分析膜电极电流密度、流道氧气质量分布、流道与气体扩散层交界面水质量分布、膜水含量、流道压力等,结果表明,相比蛇形流道,新型流道的进排气口压降较小、流速较慢,但具有反应气体分布更均匀、水管理效果更好和膜电流密度、输出功率更高等优势,且峰值电流密度增加9.60%、峰值功率密度增加12.70%,有望为燃料电池流道结构创新提供新的思路。

长寿命中性锌空电池的双改性聚丙烯酸凝胶电解质

为解决传统锌空气电池强碱电解液对汽车小功率部件的腐蚀和安全风险,同时提高锌空电池的性能表现和寿命,对中性凝胶电解质和添加剂的作用进行了研究。将不同量NaCl和纳米SiO2作为添加剂对中性聚丙烯酸(PAA)凝胶进行改性,与纯聚丙烯酸中性凝胶对照组进行电化学及保水性测试对比,并将各组凝胶放入锌空电池中在不同工况下进行充放电循环测试。结果表明:经双改性的聚丙烯酸凝胶保水性和离子电导率均得到提高,其中9 h保水率由48.91%提升至68.76%,离子电导率达到了211.3 mS/cm;以此为基础的柔性锌空电池工作平稳,0.2 mA/cm^(2)单放电寿命达到了82 h,2 mA/cm^(2)小电流充放电充放电测试中,工作寿命相比于对照组提高了30 h。

多气门汽油机滚流进气道结构的研究

为设计多气门汽油机强滚流进气道，作者对所设计的几种滚流进气道模型在稳流试验台上进行了性能测试。结果指明了强滚流进气道对结构的要求，揭示了上大下小的喉口截面形状的进气道可得到较强的滚流强度，但难以提高综合进气性能指标，并证实用滚流进气道与作者研制的导流型副气道的组合进气方案可实现提高滚流强度而不牺牲进气流量系数。

进气道燃油喷射汽油机稀燃优化技术

介绍了“局部分层”概念 ,提出一种应用于多点电喷汽油机的“低压二次燃油喷射”方式。在一台五气门汽油机上实验证实这种新喷油方式能够节油 17%左右 ,并明显改善排放性能。并指出实施二次喷油方式必须精确控制两次喷油量。“低压二次燃油喷射”技术为优化汽油机缸内混合气分布开辟了一条新途径。

五气门汽油机气道内二次燃油喷射技术的研究

在汽油机低压供油的前提下，提出了“气道内二次燃油喷射”的概念，用于优化缸内混合气的分布， 消除传统单次喷油分层燃烧所存在的弊端。在发动机的一个工作循环内，第１次喷射的燃油在缸内形成 均质稀混合气，第２次喷射的燃油将火花塞周围适当加浓。在自行设计的五气门汽油机上所进行的初步 试验证明：与普通稀燃单次喷油方式相比，这种新喷油方式能够提高发动机稀燃能力２个空燃比单位， 具有显著降低燃油消耗的作用。

非常规热力循环内燃机的节能技术

为实现内燃机热效率指标的突破,出现了很多非常规热力循环内燃机节能技术。本文从数种典型非常规热力循环内燃机节能技术总结出两点共同特征:工质移缸和水蒸汽辅助。工质移缸技术可以让内燃机工质在多个气缸内完成一个工作循环,因而可以通过提高内燃机压缩比或实现充分膨胀循环的方式来提升内燃机热效率;水蒸汽辅助技术可以通过直接向高温气体中喷水或者利用热交换器的方式将水加热成蒸汽,通过降低内燃机排气温度把残余热能变为压力来实现做功,从而提高整机热效率。非常规热力循环内燃机节能技术为高效内燃机技术的发展提供了很多新思路。

车用多气门发动机滚流技术

车用多气门发动机滚流技术浙江大学裴普成车用多气门发动机滚流技术Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉｖａｌｖｅｅｎｇｉｎｅ，Ｇａｓ，Ｆｌｏｗｔｈｅｏｒｙ主题词：多气门发动机，气体，流动理论１引言谈到内燃机缸内气体流动，一般都知道涡流。近几年来在英文文献中又出现...

稀燃汽油机混合气分层优化技术

采用“气道内二次燃油喷射”技术以实现汽油机稀混合气燃烧。将每循环所需燃油量分两部分喷射 ,一部分燃油为缸内提供均质稀混合气 ,另一部分燃油借助进气流动和适时喷射使混合气形成“局部分层”。在一台五气门汽油机上实验证实 ,这种新喷油方式能够节油 17% ,比传统稀燃方式提高稀燃能力 2个空燃比单位 ,并进一步降低HC和 NOx 排放浓度 30 %～ 5 0 %。调节两部分喷油的分配比例 。

车用燃料电池在线故障诊断及处理方法

针对车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)在运行过程中由于水管理和热管理不当导致的水淹和膜脱水故障的问题,提出了一种燃料电池在线故障诊断方法。通过实验研究了水淹和膜脱水发生过程中燃料电池堆参数的变化,发现燃料电池水淹发生过程中氢气侧压力降会比正常情况下的值大并具有可分辨性,在燃料电池膜脱水的情况下,燃料电池的欧姆阻抗明显增大,据此建立了结合压力降预警水淹和阻抗诊断缺水的燃料电池在线故障诊断方法,并给出了通过热管理手段自动解决故障的方法,从而可增强燃料电池运行的可靠性。

掺用少量氢气净化汽车排放

在火花点火发动机上,以氢气作燃料,将大大降低有害物排放量。氢气的燃烧,理论上不产生HC和CO,只会生成NO_(xo)而氢气有很好的着火性(过量空气因数可达5～7)和很高的燃烧速度(比汽油快5～9倍),能够燃烧很稀的混合气,从而使燃烧的最高温度降低,使NO_x生成量不高于使用汽油时的值。

EQ6100射流燃烧系统汽油机

在东风EQ6100汽油机上,应用并发展“射流燃烧”技术,全面改善了发动机的性能,使其更具实用性。

多气门汽油机进气纵滚流及其应用技术

内燃机缸内气体流动,对燃烧性能具有极大的影响,从而影响发动机的动力性、经济性和排放性能。涡流是一种众人所了解的流动形式。近年来随着多气门(每缸三气门、四气门或五气门)汽油机的发展。

电控燃油喷射单缸5气门汽油机

将1台普通2气门CA1102Q单缸试验汽油机改造为电控喷油式双顶置凸轮轴5气门汽油机，进气道设计为3个并列独立的气道，单孔喷油器安装在中间气道，在进气通道上布置几个进气控制阀控制进气强度。采用可变进气歧管与进气道相连接。试验结果表明，发动机的怠速排放、动力性以及燃油经济性都得到了显著的改善。

电控汽油机怠速控制方式

针对怠速工况分别设计了变参数PID控制系统和模糊控制系统 ,并进行了实车试验对比。结果表明 ,怠速工况下 ,模糊控制方式比PID控制方式转速波动小 ,控制效果好。

温度波动对质子交换膜燃料电池的影响

为了研究温度波动对质子交换膜燃料电池性能的影响,文章提出了一种新的温度计算模型——温度波动模型。将温度波动模型通过自定义函数导入计算流体动力学软件(Fluent)上进行仿真计算,并建立燃料电池试验测试系统,对工作温度为60℃,进气温度分别为43,50,55℃的电池性能进行测试。通过对Fluent模型、温度波动模型和试验值的比较发现:随着进气温度的升高,温度波动趋于平缓,燃料电池的性能逐渐增强;温度波动模型能够较准确地预测燃料电池的性能,尤其在进气温度为43℃、电流密度为1.088 A/cm2时,其误差比Fluent模型减少30%。

PEMFC水淹的阳极气体压力降变化特征预警技术

通过观察阳极气体压力降对一个两片的质子交换膜燃料电池堆进行水淹预警的研究发现,其在水淹过程中阳极气体压力降具有'两级台阶'的变化特征。结合流道内水积聚过程的研究成果以及电压的变化特点,可以将水淹过程分为良好期、湿润期、过渡期和水淹期4个阶段。对比实验表明电流和温度对于两级台阶的相对幅度影响不大,气体压力和阳极过量系数对台阶相对幅度有较显著的影响。提高气体压力和增大阳极过量系数可以提高PEMFC抵抗水淹的能力,但增大阳极过量系数则会造成氢气浪费。调整电池堆工作温度是一种有效的水淹自愈手段,通过调整温度可以使PEMFC工作在'微湿未淹'的状态下。阳极脉冲排气或增大阳极气体过量系数则可作为PEMFC严重水淹时的辅助处理措施。