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。

进气相对湿度对变载工况下PEMFC电堆性能的影响

为了探究进气相对湿度对质子交换膜燃料电池电堆变载工况性能的影响,设计了一个动态循环工况,包括电流密度从0.10到0.35 A/cm^(2)、从0.10到1.00 A/cm^(2)的2种阶跃工况和电流密度分别为0.10、0.35、1.00 A/cm^(2)的稳定工况,进行了相对湿度分别为20%、30%、50%、70%、80%的5组试验.结果表明:恒流状态时,电堆在不同电流密度下对相对湿度的敏感性不同,在大电流密度下相对湿度对电堆性能影响较大;变载过程中,电堆电压出现下冲和过冲现象,加载过程的电压下冲量与变载幅度和相对湿度有关,电堆单电池电压一致性变差,电压一致性与进气相对湿度有关.

基于高面容量锌溴液流电池的电堆结构及负极材料设计与优化

双碳目标下,大规模长时储能对以新能源为主体的新型电力系统发展至关重要。锌溴液流电池兼具低成本和高能量密度优势,在能源存储领域有良好的发展前景。作为半沉积型电池,锌沉积面容量的大小对电池储能时长和经济性均有重要影响。本研究采用高导电性的双极板,并在负极表面构建缺陷工程,成功对锌溴液流电池电堆结构和负极电极进行优化,并实现了电池在高面容量条件下的出色性能。此外,通过SEM、XPS、Raman光谱、CV、EIS以及GCD测试等方法进行表征对比,选取了中度氧化的石墨毡为最佳电极材料。优化的电堆结构与中度氧化的石墨毡相结合,在电流密度为20 mA/cm^(2)、面容量为120 mA·h/cm^(2)的条件下,电池实现了94.26%的库仑效率和82.12%的能量效率。最后,本文揭示了这一优化策略的作用机制,优化的电堆结构可以改善电池内部电流分布,且在低面容量条件下效果显著。而随着面容量的提升,只有结合负极表面的亲锌缺陷工程方可实现平坦且致密的锌沉积,并避免锌枝晶形成。结合优化后的电堆结构与负极材料,最终实现电池在高面容量条件下实现优异性能。本研究为锌溴液流电池作为长时储能设备的未来应用提供了有力支持。

大功率PEMFC电堆维修后活化工艺研究

大功率质子交换膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell,PEMFC)的膜电极(membrane electrode assembly,MEA)对电堆性能有着重要影响。为了探讨大功率PEMFC电堆维修后的活化工艺及典型问题,综述了电堆的不同的MEA活化工艺,提出了电堆维修后的恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化工艺,对电堆维修后的不同活化工艺进行了对比和分析。研究结果表明,将更换的MEA放置在电堆配气头侧,并采用变流强制活化可以快速活化电堆并提高性能。

基于深度神经网络的SOFC电堆温度场建模

基于石英光纤温度传感器和直角坐标机械手,设计并搭建一种SOFC电堆温度场测量系统。然后应用上述系统测量模拟电堆的阴极气道温度数据。根据采集的数据,基于深度神经网络方法建立模拟电堆温度场模型,并与基于支持向量机方法的电堆温度场模型进行对比。结果显示:深度神经网络电堆温度场模型的训练时间更短,预测精度更高,其平均绝对误差和均方根误差分别为支持向量机电堆温度场模型的45.2%和47.4%,更有利于该文中电堆温度场建模。

车用燃料电池电堆关键技术研究现状

“双碳”政策大大推动了氢能的发展,而燃料电池作为氢能利用的最佳方式,迎来了新一轮的研究与产业热潮,尤其是商业化较为成熟的车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)引发了众多关注。膜电极(MEA)和双极板(BPP)是PEMFC电堆的两大核心部件,决定了电堆的性能和成本。水热管理和低温启动技术对于电堆性能的实现和实际应用的推广也起到了至关重要的作用。本文全面深入地阐述了车用PEMFC膜电极、双极板、水热管理、低温启动等技术对电堆性能、寿命和成本的影响规律,进一步指出各项技术的发展趋势。除此之外,车用燃料电池的商业化应用短期将围绕公共交通以及重型商用车等大型车辆开展,而乘用车对电堆的功率密度和成本提出了更高的要求。

燃料电池电堆停机吹扫及低温冷启动性能的试验研究

搭建了燃料电池电堆吹扫及低温冷启动测试系统,研究燃料电池停机吹扫电堆初始温度、吹扫时间、吹扫气体等因素对电堆欧姆阻值的影响,研究不同初始含水量对低温冷启动性能的影响.试验结果表明,初始温度越高,电堆欧姆阻值升高越快;相比于单侧气体吹扫,氢气和空气同时吹扫是燃料电池最优的气体吹扫方式;适当降低质子交换膜燃料电池初始含水量有利于减少启动时间,改善启动性能.

质子交换膜燃料电池电堆动态热传输模型

基于能量守恒原理建立了电堆的动态热传输模型,比较全面地考虑了影响电堆热传输的因素.仿真结果表明,在不考虑冷却且反应气体输入流量略大于负载电流所需流量情况下,随负载电流的增大电堆温度快速上升;当电堆电流为常数时,随着提高输入气体的流量,电堆温度由不稳定状态逐渐过渡到稳定状态,且稳定值随之下降;另外,当加入冷却系统后,可以充分保证电堆在较理想的温度下运行.模型仿真结果与实验数据能够较好吻合.

质子交换膜燃料电池电堆温度的非线性控制

基于质子交换膜燃料电池电堆的能量守恒,建立了在大范围的负载扰动下电池电堆温度的非线性模型。利用状态反馈线性化的输出对干扰基本解耦的新方法进行模型线性化,再依据最优控制理论设计了保证电堆温度恒定的非线性控制器。通过实验和仿真结果表明该控制器能够获得较好的控制效果。

质子交换膜燃料电池电堆系统建模与控制研究

首先介绍质子交换膜燃料电池(PEMFC)的单体结构和工作原理,并针对PEMFC电堆系统的复杂性,提出PEMFC电堆系统结构,系统结构包含PEMFC反应物供应、过程调节、水/热管理、输出调节和系统控制。然后在已有的PEMFC机理模型和经验模型的基础上,详细分析PEMFC电堆系统的数学建模,给出PEMFC电堆系统结构条件的划分、变量空间的建立、参数的选择和模型辨识。最后讨论PEMFC电堆系统控制的现状和发展,研究PEMFC电堆系统控制的特点,从应用的角度出发,提出基于模糊推理控制和广义预测控制的PEMFC电堆系统控制的可行方案。

熔融碳酸盐燃料电池电堆的输出电压模型

为保证熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)电堆可靠、高效和安全地运行 ,要求保持输出电压的恒定。根据MCFC电堆发电过程中物质与电量的平衡 ,分析了顺流型电堆的内部动态特性 ,就输出电压与燃料气体利用率和电流密度等相关量建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的数学模型 ,并从外部负载扰动的角度讨论了各状态量之间的相互关系。仿真结果证实了分析和建模的正确性。

基于扩张状态观测器的PEMFC电堆温度控制

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电堆温度控制系统,提出一种基于扩张状态观测器的PEMFC电堆温度控制器设计方法。首先建立PEMFC的电堆温度模型,并对模型进行非线性变换。根据变换后的模型设计扩张状态观测器,利用扩张状态观测器得到电堆温度的动态过程,并将得到的动态过程信息补偿到控制器中。所设计的控制器不需精确的PEMFC内部传热过程,是一种不基于模型的控制器设计方法,且算法简单,工程实用性强。仿真结果表明所提出的控制方法适合PEMFC电堆温度控制系统的设计,并具有较好的控制效果。

熔盐燃料电池电堆动态特性的建模和分析

根据物质、动量和能量守恒 ,建立了 1 0 k W级顺流型熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)电堆的数学模型 ,给出了模型的边界条件 .将 MCFC电堆的波状板考虑到模型中 ,求解模型得到气压以及各部分温度的分布 .给出并求解了 MCFC的电气特性模型 ,分析了电堆沿气流方向的特性 ;电堆在电流密度阶跃变化下的动态响应 .与试验数据的比较表明 。

燃料电池发动机用金属流场板电堆性能的试验研究

对某型金属流场板燃料电池电堆进行了性能试验,对其特性曲线和单电池一致性进行了分析。结果表明,该电堆最大功率27.5 kW,对应电压78 V,单电池一致性随着电流负载的增大而下降。对比该电堆与某石墨流场板燃料电池电堆表明,在相同电流密度下前者单电池电压低于后者,但单电池一致性比后者好。

不同条件MCFC单电池及电堆的电性能研究

利用层叠法分别组装了单体电池及三层、四层和八层的MCFC电堆,实验了不同条件下的伏安特性和功率特性。通过实验得知,温度升高使电池的开路电压和功率特性上升。随着电堆层数的增加,电池的平均功率输出密度增加,而且气体的利用率也增加。通过热力学和动力学关系分析得出结论:性能的提高是由于电池内部损耗相对减少和气体利用率增加造成的,并且平均单片电池的开路电压达到1.15 V,功率密度可达到130mW/cm2。

动态机车工况下质子交换膜燃料电池电堆衰退性能分析

为探究质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态机车工况下的衰退性能,该文结合极化曲线、等效电路模型(ECM)方法和弛豫时间分布(DRT)方法对电池进行分析。针对5kW电堆,测量了机车工况下运行0h、110h、220h及330h后,第1、20和40片电池的极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)。建立PEMFC三阶等效电路模型,根据模型参数分析PEMFC内部变化。计算EIS相应的DRT,根据不同波峰解释PEMFC各极化过程的变化。结果表明:该电堆不同单片的主要损耗都发生在氧气还原反应过程和质量传输过程中,但动态工况下不同单片的衰退趋势不一致。电堆入口的电池1在110~220h期间衰退速率最快,电堆中间的电池20衰退速率随时间逐渐加快,电堆出口电池40在220~330h期间衰退速率最快。且由于电池40在0h未活化完全,导致其在0~110h期间出现性能提升。

空冷型质子交换膜燃料电池电堆温度控制系统设计

空冷型质子交换膜燃料电池(Air-Cooling PEMFC)电堆的工作条件中,电堆温度对电堆性能的影响最大,电堆温度的控制直接影响电堆的性能指标。首先分析了空冷型PEMFC电堆的温度特性,通过实验手段获得了电堆的最佳工作温度-电流曲线,并拟合出了经验公式。在此基础上设计了该类电堆的温度控制系统,提出了模糊PID融合控制算法。实验结果表明该温度控制系统具有良好的静态和动态特性,有效地解决了空冷型PEMFC电堆的温度控制问题。

影响热电堆性能的工艺因素分析

通过对热电制冷器的制冷工作特性的分析,找出了附加传热温差、焊缝电阻、杂散热交换、元件性能下降等造成电堆性能下降的工艺因素,提出了减小绝缘导热层厚度,检查元件的电阻值,保证夹具夹紧力、平面度和平行度,优化焊接工艺和减少钎料用量等提高热电制冷器的制冷性能的工艺措施。

5kW级质子交换膜燃料电池电堆的制备及实验研究

首先研究了膜电极三合一组件(MEA)的制备工艺,对于活性面积为25cm^(2)的MEA,当电池运行在400mA/cm^(2)时,其功率密度为0.293W/cm^(2);当电池运行在600mA/cm^(2)时,其功率密度为0.408W/cm^(2)。基于上述MEA的实验数据,设计了5kW电堆MEA和双极板。装配了具有50片MEA的5kW级质子交换膜燃料电池电堆,当电堆工作在150A时,其功率为5400W,当电堆工作在200A时,其功率为6770W。

千瓦级PEMFC电堆的研制

使用表面改性的金属铝板做双极板,成功组装了含30个质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电堆.H2、空气反应气均采用外增湿,使用循环冷却水排出电堆产生的热量.分别使用Nafion 115膜和John-Matthy Pt/C作为电解质和催化剂,其中Pt载量为0.4 mg/cm2.电堆工作温度为室温至100℃,H2与空气工作压力比为0.20 MPa/0.22 MPa,电堆输出功率为1～1.3 kW,输出电流为40～80 A,输出电压为26～20 V,电极工作电流密度为200～375 mA/cm2,电堆能量转化效率为51%.