质子交换膜燃料电池发动机热管理特性仿真分析

为解决质子交换膜燃料电池发动机在功率变化时热管理系统温度不稳定、进出口冷却液温差大等问题,使用LMS AMESim仿真软件,以30 kW质子交换膜燃料电池发动机为基础,考虑整车的功率变化和驾驶员需求等因素,建立质子交换膜燃料电池发动机热管理系统模型。使用燃料电池发动机标定工况来分析热管理系统各个部件的冷却液温度和压力情况;采用新欧洲驾驶循环(NEDC)工况进行质子交换膜燃料电池热管理仿真测试。结果表明,所建立的热管理系统可以在NEDC工况下保持温度稳定,进出口冷却液最高温差约为5.6℃,可为质子交换膜燃料电池发动机热管理试验研究及测试提供一定的依据和指导。

45kW质子交换膜燃料电池发动机建模与仿真

建立了较为完整的包括电堆、反应气体供应以及水热管理3个主要模块的45 kW级质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机数学模型.电堆电压模型引入了误差补偿项,提高了电压计算精度,并通过实验数据得到验证.选取冷却液入堆温度、空气过量系数和阴极入口空气压力为系统的操控变量,在给定电流密度下进行了电堆相关性能对操控变量的敏感性分析.仿真结果表明,为了获得较好的系统输出性能,应适当降低冷却液入堆温度,提高阴极入口空气压力;为了保持合理的电堆温度,必须有效控制该系统的水热管理系统.

质子交换膜燃料电池发动机的水热管理技术现状

介绍质子交换膜燃料电池的基本原理与特点,分析对质子交换膜燃料电池水热管理的必要性和重要意义,讨论水热管理系统的一些关键问题及技术现状,为实际工程应用,如最优电池工作温度、传热介质的选择、散热结构的设计等提供一定的依据。建立理论和实际模型,模拟和优化水热管理结构,研究提高电池组的性能。

质子交换膜燃料电池发动机热管理研究

论述了质子交换膜燃料电池发动机热管理的重要性以及对电池性能的影响,介绍了热管理系统的设计要求及匹配计算的过程,建立了质子交换膜燃料电池发动机温度模糊控制系统,并通过试验验证,证明其对温度有良好的控制。

直接氢气质子交换膜燃料电池发动机管理系统研究现状与进展

直接氢气质子交换膜燃料电池发动机是一个复杂的综合系统,各个子系统之间存在强烈的耦合。从水管理 机理模型、电堆经验模型、电堆和空气系统优化和包括系统级水热管理系统的发动机综合系统优化与控制等层次 上论述了发动机管理系统的重要性、研究现状和进展,并提出了将电池水热管理模型、系统优化和智能控制相结 合的开发思路。

基于单/双点线性化的质子交换膜燃料电池发动机温度预测控制研究

在已有的45 k W级质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)发动机模型的基础上,将电堆冷却液旁通阀开度、大循环旁通阀开度、水泵转速、风扇开度设定为操控变量,电堆温度设定为输出量,分别设计了单点线性化全工况预测控制(Model Predictive Control,MPC)控制器和两点线性化双MPC控制器,对PEMFC发动机电堆温度进行控制和分析。在相同的仿真环境条件下,分别运行两种控制算法进行仿真运算,并对其结果进行对比分析。仿真试验结果表明,两点线性化双MPC控制的控制效果优于单点线性化全工况MPC控制。

车用质子交换膜燃料电池发动机系统控制技术现状研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量密度、工作温度低、无污染排放、结构紧凑等优点被公认为发展前景最好的汽车动力源之一,对车用(PEMFC)发动机系统的氢气/空气供给系统、水/热管理系统、安全系统、压力,温湿度控制系统的技术现状进行了系统分析,对PEMFC发动机的控制理论,如模糊控制、预测控制与应用技术发展方向进行了研究。

典型30 kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究

本文基于国家级第三方汽车检测机构丰富的燃料电池整车、系统及核心零部件检测数据库,选取典型样品,进行了典型30 kW级国际主流企业商业化燃料电池发动机、国际技术背景合资企业商业化发动机和国内主流企业商业化发动机的性能对比分析及综合评价研究。研究包括极化曲线对比、电堆功率输出和效率对比、发动机功率输出和效率对比、辅助系统功率和功率因子对比、氢耗率和氢流量对比等系列研究。研究结果为相关技术发展和产业化提供了必要的借鉴。

100 kW质子交换膜燃料电池发动机散热系统开发

针对2022年北京冬奥会期间的气候条件,为在北京与张家口区域间运行的城际燃料电池客车研发一款适合的燃料电池发动机,主要技术难点包括寒冷地区燃料电池电堆及发动机的冷启动,整车低温热管理,大功率燃料电池发动机散热系统开发等研究。重点研究了大功率燃料电池发动机整个散热系统的开发,包括燃料电池电堆的主散热系统以及重要零部件的辅助散热系统。根据散热需求,进行散热系统的开发设计,主要包括冷却水流量、压力、温度的计算,冷却水管路的计算和重要零部件的设计。同时,对水泵、主散热器进行选型,并搭建台架,完成了对散热系统的台架试验测试,验证了该散热系统满足设计要求。

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。

基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

质子交换膜燃料电池直流道内液滴传输研究

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维直流道模型,分析液滴在流道内的产生、破裂及传输全过程,探究进气速度、气体扩散层表面亲疏水性以及挡板结构参数等关键性因素对液滴传输特性的影响。仿真结果表明,提高进气速度有助于强化液滴的去除效果,但过高的气体流速会将液滴推向气体扩散层表面,造成液滴累积;亲水性较强的气体扩散层表面导致液滴严重坍塌形变,堵塞气体扩散层孔隙;液滴在疏水性气体扩散层表面流动速度相对较快,壁面附着力小,利于流道排水;增大挡板堵塞率可提高挡板下方及后方区域气体流速,提高液滴吹扫能力;挡板表面亲疏水性对流道内液滴去除效果影响较弱。

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。

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。

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。

质子交换膜燃料电池泡沫金属流场传质性能

建立泡沫金属流场的三维完整形态,通过三维数值模拟进行研究,结果表明,泡沫金属流场可以有效地降低浓度极化损失,从而提高燃料电池在大电流密度下的性能,且与增加的输出功率密度相比,相应的泵送功率损失可以忽略不计。同时,在泡沫金属流场作用下,质子交换膜燃料电池内部的氧气浓度分布比传统的直流道的燃料电池更加均匀。通过台架试验,观测了泡沫流场中的液态水的流动状态,并通过三维数值模拟,得到了与试验相似的流动现象,且与传统直流道流场对比,泡沫金属流场对燃料电池水淹现象的改善有很大的帮助。

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。