质子交换膜燃料电池动力系统热管理综述

质子交换膜燃料电池(PEMFC)热管理子系统需要维持电堆及其它部件在适宜的温度范围内运行,对燃料电池系统的正常工作有着至关重要的作用。为跟踪其研究进展,对近年来相关研究进行了综述。首先,总结并对比了面向不同结构动力系统的热管理子系统结构。其次,总结了系统中的产热与传热问题,重点在于燃料电池电堆内部的产热与传热特性。然后,总结了应用于系统的控制策略,包括不同的控制算法和优化目标。最后,总结了相关研究方法。通过对相关研究工作对比分析,提炼了工作重点,指出并展望了未来的研究方向。

质子交换膜燃料电池动力系统变工况模拟

质子交换膜燃料电池堆是燃料电池汽车的关键单元之一，电池堆负荷变化及跟踪的动力学特性是衡量其性能优劣的重要指标．因此基于汽车动力系统及其单元的动态特性研究和控制回路设计，有必要开展电池堆的稳态变工况模拟，作为今后深入研究的基础．

30kW质子交换膜燃料电池动力系统的研制

阐述 30kW质子交换膜燃料电池 (PEMFC)动力系统的研制工作 :①建立 30kW级的PEMFC测试站 ,达到对PEMFC控制运行以及对其性能进行测试改进的目的。②组装单电池并建立诊断、测试技术以及改进PEMFC膜电级 (三合体 )效能的技术。③组装 5kW级、10kW级的PEMFC组功率模块 ,建立测试、改进其效能的技术。④将三台 10kW级的PEMFC组功率模块进行系统集成完成 30kW的PEMFC的动力系统。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。

质子交换膜燃料电池混合动力系统能量优化的仿真分析

分析了混合动力系统的控制目标及需要考虑的几个关键参数。以PEMFC混合动力系统为对象,分别针对给定负载模式和实时运行模式进行控制策略设计和能量优化仿真。对给定的负载模式,采用遗传算法对多约束组合优化问题进行求解,仿真结果证明了算法的可行性。对于实时运行模式,在原有模糊控制策略的基础上,引入燃料电池电压和电压变化量对模糊输出进行两级修正。仿真结果表明,改进后的模糊控制策略可以有效提高燃料电池运行效率,降低燃料电池功率波动。

质子交换膜燃料电池系统阳极排放技术研究

针对燃料电池系统气-水分离器自身结构特点以及目前常用的电流积分排水策略存在不能准确判断分离器的水位及系统排水策略控制精度低、可靠性差等问题,在气-水分离器上集成液位传感器,将燃料电池系统排水阀复杂的算法控制转换为简单的开关控制。经试验验证,系统在排水过程中阳极压力波动范围较小、电堆输出性能稳定、氢气损耗低,该燃料电池系统气-水分离器及其排水阀间歇性排放策略优化方法是有效的,有助于燃料电池汽车的进一步推广使用。

质子交换膜燃料电池多物理场建模及模型参数敏感性分析

受限于外部运行工况及内部多物理场参数的耦合作用机制,质子交换膜燃料电池的精确机理建模成为其研发和应用的瓶颈。该文通过探究燃料电池内部“电-热-流”多场耦合关系,构建准一维电堆动态模型,并基于单参数敏感性和多参数敏感性分析,得到不同模型参数的敏感度指标,完成了建模中部分关键参数的权重分析。为验证模型精度及耦合参数变动对输出特性的影响,在搭建Ballard NEXA 1.2 kW燃料电池测试平台的基础上开展变载及参数变动实验。结果表明,所构建的模型能够较为精确的模拟电堆特性,且对称因子、活化面积和压力系数的变动对电堆输出的影响较大。结果可为燃料电池电堆的测试及改型提供理论基础,并揭示电堆故障及老化过程中主要参数的衰退变化趋势。

基于金字塔池化网络的质子交换膜燃料电池气体扩散层组分推理方法

针对质子交换膜燃料电池气体扩散层(gas diffusion layer composition,GDL)形貌划分与制备工艺改进问题,提出了一种基于金字塔池化网络(pyramid scene parsing network,PSPNet)与多层感知器(multi-layer perception,MLP)的气体扩散层组分识别与比例推理方法:首先将带标签的气体扩散层扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图片输入神经网络,得到特征图;得到的图像特征层进入金字塔池化模块后,获取SEM图像的深层和浅层特征;随后将深层和浅层特征图层融合输入全卷积网络(fully convolutional network,FCN)模块,得到预测图像;最后统计各个组分上的像素点比例,通过MLP完成组分比例推理。结果表明:所提方法组分识别像素准确率达81.24%;在5%偏差范围内,比例推理准确率为88.89%。该方法解决了气体扩散层多组分无法区分、比例无法获知的问题,可有效应用于气体扩散层的质检、数值重构以及制备工艺改进。

水冷质子交换膜燃料电池控温系统建模与仿真分析

本文对水冷质子交换膜燃料电池进行了分阶段控温建模。在冷液-热液混合控温阶段,通过反馈线性化方法解决了系统的非线性特性。仿真结果表明,采用反馈线性化方法后,再结合PID控制就能够实现良好的控温效果。在散热风扇控温阶段,采用基于Lyapunov稳定性理论的模型参考自适应控制设计方法,设计了模型跟随控制器及其对应的自适应控制律。仿真结果表明,在燃料电池系统载荷变化、水泵转速变化和工作环境温度变化等情况下,仍可实现控温目标的一致跟随。

磁控溅射NiCrCN涂层在质子交换膜燃料电池阴极环境中的腐蚀行为

采用非平衡磁控溅射技术在316L不锈钢表面沉积NiCrCN涂层,研究不同铬靶电流(2,4,6 A)下涂层的微观形貌以及在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极环境(0.5 mol·L^(-1) H_(2) SO_(4)+2 mg·L^(-1) HF,空气鼓入,70℃)中的耐腐蚀性能。结果表明:制备的NiCrCN涂层均由金属镍、CrN、Cr_(2) N、Cr_(7) C_(3)等相组成;4 A铬靶电流下制备的涂层表面光滑平整且结构致密,而2,6 A铬靶电流下制备的涂层中出现明显的柱状晶结构。在模拟PEMFC阴极环境中恒电位0.6 V极化以及高电位1.0 V循环极化后,随着铬靶电流的增大,涂层的腐蚀电流密度先减小后增大,4 A铬靶电流下制备涂层的腐蚀电流密度最小,恒电位极化曲线更加平稳,恒电位极化时溶解在腐蚀溶液中的金属离子质量浓度最小,表面腐蚀程度最轻;该涂层在静止浸泡14 d后的电荷转移电阻始终比316L不锈钢高1个数量级。在PEMFC正常工作、快速启动/关闭和长期静止条件下服役的最佳NiCrCN涂层为4 A铬靶电流下制备的涂层。

迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有广泛的应用前景。为了提升流道构型对于质子交换膜燃料电池的综合性能,通过建立一种三维单相、等温的圆形交错迷宫式流道质子交换膜燃料电池模型,分析新型流道对质子交换膜燃料电池的输出性能、阴极氧和水浓度分布及阴极进气流速的影响。结果表明,圆形交错式流道相较于矩形交错式流道和蛇形流道电流密度提升25%和143%,也可以明显的改善流道内反应物和产物的分布和输运。阴极进气流速的增加可以提升电池的性能,但也会带来其他额外的损耗。可见,圆形交错式流道可以有效提升输出性能,改善氧和水的分布。

基于NGO-CNN-BiLSTM神经网络的动态质子交换膜燃料电池剩余使用寿命预测

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)剩余使用寿命(RUL)预测精度不高的问题,提出了一种基于北方苍鹰优化(NGO)、卷积神经网络(CNN)和双向长短时记忆(BiLSTM)神经网络的动态燃料电池RUL预测模型。首先,利用NGO对CNN-BiLSTM模型的学习率、隐藏节点及正则化系数进行寻优,然后,通过CNN-BiLSTM模型的卷积层对输入数据进行特征提取,输入到BiLSTM层进行时序建模和预测。同时,利用小波阈值去噪算法对原始数据进行平滑处理,采用皮尔逊相关系数提取模型输入变量,并搭建NGO-CNN-BiLSTM神经网络功率预测模型。仿真验证结果表明,该方法预测精度达99.49%,高于其他对比模型的预测精度。

基于阿基米德优化算法对质子交换膜燃料电池的模型参数估计

随着新能源汽车市场占有率不断提高,燃料电池电动汽车也在不断地发展,质子交换膜燃料电池作为其关键部件之一,设计制造成本尤为重要。在文章研究中,提出了一种新的模型识别方法,用于质子交换膜燃料电池的最佳参数识别。所提出的方法使用了改进型阿基米德设计优化算法,然后在实验研究中,实施了该设计的模型,并将结果与一些众所周知的方法进行比较。最终结果表明,所提出的方法对于Nexa模型的误差值为0.10,比较其他算法中,本研究提供了最佳解决方案。

阳极闭口模式下质子交换膜燃料电池氮气渗透

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极闭口模式潜力巨大,但该模式下运行会引发氮气从阴极向阳极的渗透,导致阳极氢气的摩尔分数降低,PEMFC性能下降,针对这种情况可通过吹扫恢复PEMFC的性能。搭建了阳极闭口模式测试系统,在不同操作条件下进行阳极闭口模式实验,同时建立数学模型研究不同电流密度、化学计量比和温度下,电压和阳极氢气的下降速率以及传输到阳极的氮气积累量,提出实验与仿真结合的方法深入探究闭口模式下气体的传输规律,结果表明:当氢气摩尔分数为0.75时,电压下降到1.4 V,此时性能明显下降,提出相应吹扫策略:氢气摩尔分数在0.8时吹扫最为有效。

高温质子交换膜燃料电池动态性能测试教学实验设计

该文结合科研热点,设计了具有创新性和研究性的“高温质子交换膜燃料电池动态性能测试实验”。实验研究了阳极流动和死端模式下高温质子交换膜燃料电池在阶跃电流条件下的动态响应。从实验理论基础、实验平台搭建、性能测试方法及内容、实验结果探讨分析等方面,展示了科学研究的全过程。该实验旨在培养和提升学生的实验素养、科研能力、创新能力和实践能力。

质子交换膜燃料电池——21世纪的新一代能源动力系统

介绍质子交换膜燃料电池的工作原理、性能特点、广阔的应用及发展前景,同时也介绍了部分产品实例。最后,本文还介绍了燃料电池的关键材料与关键技术。

基于改进SSA-DBN的质子交换膜燃料电池水故障智能分类方法

为了实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统水故障的高效快速分类,提出了基于改进麻雀搜索算法(SSA)优化深度置信网络(DBN)的PEMFC故障分类方法。采用归一化处理消除故障数据参数之间量纲不同的影响,使用核主成分分析对数据进行故障特征提取,有效地缩减了原始数据维度,降低了运算复杂度,并避免低贡献度数据对故障分类造成干扰。引入柯西-高斯变异策略改进SSA,并利用SSA对DBN进行参数寻优,确定网络结构,通过优化后的DBN实现对PEMFC水故障的快速分类。对3 000组PEMFC水故障数据进行测试,结果表明:所提方法可以快速准确地识别PEMFC的正常状态、膜干故障、水淹故障3种健康状态;总体的分类准确率为98.67%,运算时间为0.89 s,相比支持向量机、概率神经网络方法,所提方法的故障分类精度分别提升了4%、3.34%,运算时间分别减少了15.35、0.35 s。

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。

质子交换膜燃料电池服役环境对TA1腐蚀行为的影响

选用纯钛(钛金属牌号TA1)为实验基材,通过动电位、恒电位、电化学阻抗谱(EIS)和模拟工况测试等方法研究了运行环境(温度、pH值、气体氛围)和运行工况(电位和模拟工况时长)对其腐蚀行为的影响,并利用光学显微镜(OM)、能量色散X射线能谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、界面接触电阻(ICR)、接触角和表面粗糙度等测试方法,对不同时长模拟工况测试后TA1基材的表面形貌和性能进行了分析.结果表明,运行环境和运行工况对TA1耐蚀性均有影响,在10 h模拟工况测试后,TA1基材表面氧化层的堆积提高了其耐蚀性,腐蚀电流密度从2.62μA/cm^(2)降至0.94μA/cm^(2);其导电性和疏水性显著降低,与商用碳纸之间的ICR值从31.75 mΩ·cm^(2)增加至333.17 mΩ·cm^(2),接触角从86.28°减小至68.04°.