氢燃料电堆工程设计中的热力学与流体动力学优化策略探讨

氢燃料电堆作为一种新兴的能源转换技术,具有高效、清洁和可再生等优势,被广泛应用于交通运输、工业生产和住宅能源等领域。然而,氢燃料电堆的性能和效率受到其工程设计中热力学和流体动力学的影响。因此,研究热力学和流体动力学优化策略对于提高氢燃料电堆的性能具有重要意义。本文旨在介绍氢燃料电堆工程设计中热力学和流体动力学优化策略的研究目的和意义。通过深入分析热力学和流体动力学在氢燃料电堆中的作用机制,探讨如何优化氢燃料电堆的设计参数,以提高其性能和效率。

高温燃料电堆负荷平衡系统

本文介绍一种高温燃料电堆负荷平衡系统,负载连接在SOFC系统的逆变母线上,并实时检测电网电压,当检测到电网停电时,电子负载开始运行。高温燃料电堆负荷平衡系统采用四相交错开关式负载技术,无级调节拉载功率,实时跟踪消耗燃料电堆的输出功率,实现电堆安全软关闭,提高SOFC系统的稳定性和寿命。相比于普通模拟式电子负载技术,成本更低,可靠性更高,电子元件发热量小。

阴极饥饿活化工艺在氢燃料电堆中的应用

活化工艺对电堆的性能具有重要影响,新组装的电堆需要对膜电极组件(MEA)进行适当的活化,才能发挥其最佳性能。对比传统活化与阴极饥饿活化两种活化方式下氢燃料电堆的活化耗时、电堆性能及电压一致性,并对阴极饥饿活化工艺的研究进行展望。结果显示:与传统活化法相比,阴极饥饿活化法的活化时间和极化时间明显缩短,仅需90 min;电堆性能及电压一致性表现较好。

氢燃料电堆运行环境全时域服务及控制系统研究

提出氢燃料电堆运行环境的一种全时域服务及控制系统,可有效控制冷却液电导率,提高氢气、空气供给流量及压力控制的精准度,有效提升电堆反应效率,延长电堆使用寿命。

质子交换膜燃料电池电堆阳极饥饿反极的研究

目前,质子交换膜燃料电池(PEMFC)反极研究主要通过单电池完成,反极过程没有考虑相邻电池的影响,与电堆实际情况并不完全相同.本文通过控制加湿度和过量系数等测试条件分析了5片PEMFC电堆阳极在水淹和缺气情况下的饥饿反极情况.结果表明,在电堆阳极水淹情况下,反极单电池电压表现为缓慢下降到电解水平台然后迅速恢复的循环过程,性能恢复归因于水淹单电池阳极进出口压差上升使其液态水排出而氢气重新进入;在电堆阳极缺气情况下,反极单电池电压表现为迅速降低到碳腐蚀平台然后迅速恢复的循环过程,这是由于缺气单电池的阳极进出口压差下降使电堆内氢气重新分配.缺气反极电池电压会降低到碳腐蚀平台,因此会对电池性能造成不可逆的损害.

质子交换膜燃料电池堆电气性能试验研究

对5kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的电压-电流特性、温度特性、压力特性、反应气体计量比特性等进行了测试,并从电化学热力学和动力学两个角度初步分析了各运行参数对电堆性能的影响机理。试验表明,适当升高温度和反应气体压力有利于改善PEMFC电堆的性能,氢气、空气计量比分别为1.2和2.5时,该电堆性能最好。

车用燃料电池电堆比功率提升的技术途径探讨

燃料电池车作为新能源汽车的一种,以其续驶里程长、动力性能高、燃料加注快、兼容可再生能源等特点,得到愈来愈广泛的重视。燃料电池堆是燃料电池汽车的核心,其比功率是反映燃料电池堆技术水平的重要指标,掌握高比功率燃料电池电堆技术可以降低电堆硬件数量,从而也会使电堆成本得到大幅降低。国际上先进的燃料电池堆由于具有高的比功率使其在车辆有限空间能提供较大功率,满足了车辆动力需求;然而,国内目前电堆比功率相比国际先进水平还有一定差距,针对这一问题,本文从高活性催化剂、增强复合质子交换膜、高扰动流场、导电耐腐蚀薄金属双极板、电堆组装与一致性等多方面,探讨了提高燃料电池电堆比功率的技术途径,基于理论与实践积累分析了燃料电池活化极化、欧姆极化及传质极化与材料、部件、组装的关联性,为进一步提高燃料电池堆性能与比功率提供方向性参考。

钢带捆扎燃料电池电堆端板尺寸和形状优化

针对捆扎式燃料电池金属双极板电堆端板受集成力作用易发生变形的现象,设计了一种钢带捆扎式燃料电池电堆的新型端板结构,并通过有限元原理和数值仿真分析对其进行结构参数优化.基于Ansys Apdl程序化语言,建立端板的结构力学分析模型.采用尺寸优化方法,以电堆多个钢带间受力均匀度高、端板质量小和单个钢带固定螺栓轴线偏移程度低为目标函数,分析端板各尺寸对上述目标函数影响程度,从而确定出优化后的尺寸和形状,改善钢带受力和电堆各个部件间接触压力的均匀性,并建立了一个11层的燃料电池电堆1/4二维模型,比较了端板优化前、后双极板脊背与膜电极(membrane electrode assembly)间接触压力分布均匀度.

车用低压质子交换膜燃料电池电堆的半经验模型

首先介绍质子交换膜燃料电池建模的现状,然后结合车用情况采用半经验方法进行建模,主要从理论基础出发,简化电堆模型,从中推导出浓差项,提出浓差阻力的概念。根据车用低压电堆的工作条件,采用断电法来获取不同温度下电堆的欧姆损失,用线性拟合方法获得欧姆损失表达式。在保证其他操作条件不变的情况下,改变空气过量系数,通过比较电堆电压的变化情况,采用实数编码的遗传算法对试验数据进行拟合,获得浓差阻力系数的表达式。在获得欧姆、浓差损失的基础上,推导出电堆的活化损失表达式。最终获得车用低压质子交换膜燃料电池电堆的半经验模型,并采用建立的模型对20组不同温度和过量空气系数下的电堆输出电压进行计算,计算结果与实际测量值比较吻合,说明建模方法相当有效,模型精度达到系统优化和控制的要求。

PEM燃料电池电堆低温起动试验

为评价不同参数对PEM燃料电池电堆低温起动性能的影响,搭建了燃料电池电堆低温起动试验平台,对5 kW燃料电池电堆在-5℃、-10℃和-15℃下的低温起动性能进行了试验研究。结果表明,在低温下恒电压模式比恒电流模式更有利于电堆升温;电堆起动电压为30 V时升温速度快于40 V和20 V时;初始温度越低时电堆升温速率越慢。另外,经过低温起动后电堆性能发生了衰减,电镜扫描结果也显示经过低温起动后电堆质子交换膜局部出现了破损,应采取措施减缓低温起动对电堆的损伤。

空冷型质子交换膜燃料电池堆温湿度特性建模

空冷型质子交换膜燃料电池(Air-CoolingPEMFC)电堆具有结构简单,自身能耗低等特点,在便携式电源研究领域有着更为光明的应用前景。在电堆的工作条件中,电堆工作温度和湿度是影响电堆性能的关键因素。以实验手段对空冷型电堆的温度和湿度特性进行研究,通过实验数据分析电堆工作温度和尾气排放周期对输出性能的影响,并结合分析结果基于遗传算法建立了电堆温度和湿度特性经验模型。研究结果有助于空冷型PEMFC电堆的温度和湿度特性分析、模型优化和实时控制系统的设计。

质子交换膜燃料电池电堆低温起动的仿真研究

在假定条件下,将每片单电池分成10层,每层看成一个集总参数,在Matlab/Simulink软件搭建由20片单电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型。在-20℃的环境温度下,当电堆的温度保温到0℃时,起动燃料电池电堆,加载标准低温起动工况进行仿真研究,并对单电池输出电压、电堆电池各层不同时刻温度和质子交换膜内水的迁移量随时间的变化进行分析。

质子交换膜燃料电池在线监测方法研究进展

质子交换膜燃料电池作为一种高效、无污染的新一代发电技术在近年来得到广泛关注,但是其寿命问题依然严重制约其商业应用。通过对燃料电池状态进行在线监测来实现电池的快速故障诊断,是延长电池寿命的极有效的途径之一。本文对近年来质子交换膜燃料电池在线监测方向的文章进行了总结,并按照故障检测方法(包括极化曲线、循环伏安法、电化学阻抗谱等)进行分类讨论。同时,根据实际应用情况将单一检测方法和多种结合检测方法进行文献综述。另外,在总结现有的在线监测方法的基础上,本文提出了未来燃料电池在线监测需要解决的问题并进行展望。

以重整气为燃料气的PEMFC电堆性能

与使用氢气为燃料气相比,以重整气作为质子交换膜燃料电池的燃料气可以避免氢气储存与运输的不便,更可以增加PEMFC的适用场合和范围。研究了常压与加压条件下重整气中N2和CO2组分对PEMFC电堆的影响,结果表明N2和CO2主要是降低了H2的分压,对电池性能影响较小。针对CO组分,研究比较了阳极注氧和外部净化对电池抗CO能力的影响,结果表明这两种方法都有明显的抗CO效果,相比之下外净化的效果更佳。同时,考察了电堆在重整气氛围下的稳定性,进行了1500h的寿命实验,实验结果显示电压衰减速度为19.21μV/h。

质子交换膜燃料电池电堆结构封装支撑件振动可靠性仿真

为计算某质子交换膜燃料电池电堆封装支撑件的疲劳寿命,用CATIA建立该质子交换膜燃料电池电堆的CAD模型;用HyperMesh对该CAD模型进行网格划分;将得到的有限元模型导入MSCPatran中,确定输入载荷谱和边界条件并进行应力载荷计算,对该结构封装支撑件进行振动可靠性仿真.结果表明无论在一般路面还是在强化路面条件下,该封装支撑件满足整车对其寿命的要求.该仿真结果可为质子交换膜燃料电池电堆悬置系统的设计提供参考.

乙二醇基冷却液污染对质子交换膜燃料电池电堆的影响及恢复措施

冷却液作为燃料电池冷却系统的热传导介质,对于燃料电池电堆的热管理非常重要。在实际应用中经常会发生冷却液泄漏进入电堆内部的情况。本文通过模拟燃料电池发动机正常工作过程中冷却液泄漏的不同情况,研究了乙二醇基冷却液泄漏污染对燃料电池电堆的性能影响。针对阴极侧乙二醇基冷却液污染后难以恢复的问题,本文提出了一种冷却液污染的恢复策略。整个污染恢复策略分为污染物氧化和污染物冲洗两个阶段,通过对比冷却液污染前和污染恢复后的性能,证实了这种冷却液污染恢复策略的有效性。

微管式固体氧化物燃料电池两管串/并联电堆教学演示仪

用银线和银浆作为连接体将两根微管式固体氧化物燃料电池(μT-SOFC)串/并联制备成双管电堆。银因其优异的导电性和商业应用性,非常适合作为燃料电池电堆的连接体。在μT-SOFC两个阳极的方形取电口上涂覆银浆,与另一根电池的阴极或阳极连接,实现双电池的串联或并联。当运行温度为650℃时,串联的双管电堆的开路电压(OCV)接近2 V并且最大的输出功率(MP)达到了8.57 W;另外,并联电堆的OCV达到1.03 V,MP达到7.06 W。串/并联的双管电堆的输出功率能够驱动灯泡、风扇和外接的其他负载。电堆经过5 h的长期运行后依然保持着良好的稳定性,完全支持两个课时的教学演示实验。为锻炼学生的动手实验能力和加强SOFC原理的理解,教学实验将要求学生在完成电堆搭建的同时,设计制造一些小型电子负载,来演示SOFC的电化学性能。

基于多点电压检测技术的燃料电池电堆一致性分析

燃料电池电堆中各单节电池的一致性直接影响整个电堆的性能输出和使用安全性。由于操作条件、单节电池的差异性以及内部环境的复杂性,导致电堆内存在局部电流和电压分布具有不均匀性和位置不确定性。采用双巡检系统分别采集了15节电堆阳极进口侧和阴极进口侧各单节电池电压,通过对比两侧电压差定位异常单节电池,并对该电堆进行一系列在线诊断和异常单节电池离线诊断。诊断结果表明,异常单节电池的阳极催化层中催化剂分布不均,从而证实了多点电压检测技术的有效性。通过对电堆进行多点电压检测,可以对各单节电池电压分布均匀性进行定性分析,帮助燃料电池系统通过采取相应的控制策略,及时识别出异常单节电池并做出反应。

国内燃料电池电堆技术进展综述

国际氢能与燃料电池汽车大会是国内燃料电池行业举办的国际一流的年度行业盛会,聚集全世界氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者,携手促进氢能及燃料电池汽车的商业化发展。本文以第四届氢能与燃料电池汽车大会内容为基础,结合目前行业发展现状对国内燃料电池电堆、膜电极以及双极板的技术进展和发展趋势进行了简要阐述。

车用燃料电池电堆环境适应性试验

为应对气候变化,推动绿色发展,近年来我国新能源汽车进入加速发展新阶段。燃料电池汽车是新能源汽车的重要发展方向,得到了国家和地方政府的大力支持。燃料电池电堆作为核心零部件之一,其环境适应能力将直接影响整车的性能,因此,进行电堆环境适应性试验是产品开发必不可少的环节。但是目前我国针对车用燃料电池电堆的环境适应性试验还未形成统一标准,因此,文章结合车用燃料电池电堆工作环境条件和应用场景,对其环境适应性试验进行了研究,提出了电堆环境适应性试验方法的设计思路,以期为业内人士制定电堆环境适应性试验方案提供一定参考。