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.

大功率质子交换膜燃料电池电堆膜电极一致性研究

随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大,大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。大功率燃料电池电堆的电压一致性是衡量或影响电堆性能的重要指标。对某公司生产的65 kW大功率电堆进行了单电池一致性的研究,考察不同运行条件对于电堆一致性的影响,并对其产生的可能原因进行了深入的研究和讨论。研究结果表明:在额定功率和给定的运行条件下,电堆表现出了较好的一致性;电堆输出功率、电堆温度和温差、反应气体计量比、气体湿度等对电堆膜电极一致性均有较大的影响。其中输出功率、空气计量比、气体湿度对于电堆一致性的影响最为强烈,输出功率增高、空气计量比和空气湿度降低均会大幅度降低电堆的一致性。在研究结果的基础上,提出了保持大功率燃料电池电堆一致性的运行条件的建议。可为改善大功率电堆的设计和优化大功率电堆的运行条件,及促进我国燃料电池技术及产业的发展提供参考。

质子交换膜燃料电池电堆封装设计综述

为了保证质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的输出性能、密封性、可靠性和使用寿命,需要对电堆的封装力和封装结构进行理论计算和设计优化。通过建立PEMFC电堆的等效刚度力学模型及相关经验公式,研究了膜电极组件(MEA)接触电阻、气体扩散层(GDL)孔隙率、电堆密封性和抗冲击性与电堆封装力之间的关系。针对电堆封装力的有限元仿真,研究了基于等效面积和等效刚度的仿真优化方法。最后,阐述了电堆封装结构设计方法和结构优化方法。结果表明,基于等效刚度力学模型和经验公式,可以在较短的时间内完成电堆封装力的理论计算,提高了开发效率。同时,采用有限元仿真方法,可以较为准确和直观地完成电堆封装力的设计优化。采用拓扑优化和封装力自补偿计算方法,提高了电堆封装结构设计的合理性。

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。

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.

质子交换膜燃料电池电堆温度特性的模糊建模

根据PEMPC电堆温度控制的需要,建立了PEMFC电堆的工作温度与运行参量之间的定量关系模型,为建立面向控制的PEMFC温度非线性模型提供了一种新思路.在建模过程中,采用模糊辨识方法建立PEMFC控制系统的模糊模型,仿真和实验结果表明,该模糊辨识方法对质子交换膜燃料电池电堆的建模和控制提供了一条可供参考的途径.

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活化过程研究

活化对质子交换膜燃料电池的性能有重要影响。采用自行设计的燃料电池电堆活化程序，对25kW质子交换膜燃料电池电堆的活化过程进行了初步研究，考察了在活化过程中及活化之后电堆的性能。研究表明，采用变流强制活化方法可以较快完成活化过程，需要进一步探索加快质子交换膜燃料电池电堆活化过程的程序和方法。

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。

国产质子交换膜燃料电池电堆研究

利用国产短支链,低等克当量(EW)值的全氟磺酸膜,分别采用自制Ir-V/C、Pt/C纳米催化剂及商业Pt/C催化剂为阳极制备膜电极(MEA),并组装成5kW的质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆。在常温(工作温度≤80℃)与中温(最高工作温度95℃)条件下对该电堆进行测试。研究结果表明,在额定电流密度640mA/cm2下,电堆功率为5095W。电堆在常温与中温下分别运行了500h和200h,常温运行后电堆的功率较测试开始时上升了约2%。各类MEA性能和一致性都存在差异,使用Ir-V/C催化剂的MEA在中温条件下表现出最佳的性能。

基于仿射热模型的质子交换膜燃料电池电堆的热管理控制

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆工作温度对电堆的性能和运行寿命有很大影响。为了实现质子交换膜燃料电池电堆温度的有效控制,根据电堆能量守恒原理建立了电堆动态热管理模型。由于该模型是具有参数不确定和易受外界干扰的非线性模型,为此,采用了线性二次型优化控制和李亚普诺夫函数的递推设计方法设计了具有强鲁棒性的自适应控制器两种控制算法对电堆温度进行控制,数字测试验证了该算法的有效性。

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。

车用质子交换膜燃料电池电堆保温仿真研究

建立10 k W燃料电池电堆有限元的简化仿真模型。未采取保温措施时,在-20、-10和15℃的环境温度下,电堆从80℃降低到0℃所用的时间分别为3.0、4.0和8.0 h;用20 mm厚的聚苯乙烯在-20℃环境中对电堆进行保温,电堆从80℃降低到0℃需要26.3 h,电堆内部温差约为2℃,热流在电堆的四个面均匀分布;用20 mm厚的VIP(真空绝缘板)在-20℃环境中对电堆进行保温,电堆从80℃降低到0℃需要34.8 h。因此,用20 mm厚的聚苯乙烯或VIP在-10和-20℃的环境下对燃料电池发动机的电堆进行保温,可满足燃料电池汽车冬季上下班运行的需求。

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。

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。

基于非匹配的质子交换膜燃料电池电堆的性能控制

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的温度系统是一类存在非匹配摄动和外干扰的多输入多输出非线性系统,且工作温度对电池的输出性能有较大的影响.为削弱此负面影响,采用输入输出线性化方法与变结构控制相结合的智能控制方法.仿真试验结果表明,温度对参数摄动和负荷干扰具有很强的鲁棒性,动态特性好,渐近稳定;温度得到稳定控制之后,设计衰减整定PID参数的常规控制器可较好地改善电池的输出性能.

一种质子交换膜燃料电池电堆控制器

介绍了一种以PIC16C73微处理器芯片为核心的质子交换膜燃料电池电堆控制器 ,利用微处理器特殊的A/D转换和脉宽调制PWM输出功能 ,并使用一总线式数字测温器件DS18B2 0 ,LCD液晶显示 ,极其简便地实现了控制器的各项控制要求。

节温器布置形式对质子交换膜燃料电池电堆冷却性能的影响

运用一维仿真软件建立质子交换膜燃料电池液冷系统模型,研究了不同节温器布置形式对系统的性能影响。对某额定功率30 kW的燃料电池发动机在4个不同工况点进行液冷系统散热特性仿真:在节温器一进两出的布置形式下仿真结果与试验数据基本一致,电堆出口温度仿真值与实测值相对误差分别为0.5%、1.5%、2.4%、4.9%;节温器两进一出的布置形式下液冷系统中冷却液温度变化平缓而均匀,前10 s和第10~50 s之间的温度变化率之差较一进两出形式低36.85%,更有利于电堆的长期高效运行。

高温质子交换膜燃料电池电堆端板拓扑优化

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部接触压力的影响,并综合考虑端板的质量与制造难度,构建了一种适用于燃料电池电堆的简化模型.从基于热力耦合的有限元法出发,对燃料电池端板进行以最小质量为目标、最大应力为约束的拓扑优化,并在综合考虑结构形状与拓扑结果的基础上建立端板的几何模型.结果表明,拓扑优化得到的端板结构使电堆内部具有更均匀的接触压力,因此拓扑优化可以为端板的结构设计提供理论参考.