高速PEMFC单片电压监测系统设计

质子交换膜燃料电池是一个封闭的发电装置,其运行性能仅能通过单片电池电压进行反应.根据单片电池电压的暂态变化,可以调整控制策略、工作条件,使电堆运行在最佳状态,延长其使用寿命.为满足燃料电池暂态分析及故障诊断的需要,拟利用高速数据采集卡,结合电阻分压及高速模拟切换开关,构建一种高速单片电池电压监测系统,实现燃料电池单片电压的高速、高精度采集.经试验测试表明,设计的监测系统测量速度、测量精度均比现有单片电压采集系统高,平均误差为4. 52 m V,测量时间小于6 ms.     

微型燃料电池流场板研究进展

在环境污染日益严重的今天,作为清洁能源的燃料电池受到越来越多的关注.为了适应便携式设备的需求,燃料电池的微型化成为发展趋势.在微型燃料电池的诸多关键技术中,流场板结构及其加工成为主要困难之一.本文介绍了微型燃料电池的工作原理,探讨了包括流场板形状、微沟道尺寸和流场板开孔率等方面的流场板结构对微型燃料电池性能的影响,综述了基于MEMS技术的微流场板加工工艺.     

影响车用质子交换膜燃料电池性能的诸因素分析及试验

通过对质子交换膜燃料电池进行理论建模和试验,分析了反应气体压力、电堆温度和增湿温度对燃料电池输出电压的影响,在PEMFC允许的工作参数范围内,这3个因素增加均可使电池输出电压上升.同时通过燃料电池系统的性能试验验证了仿真结果的正确性.燃料电池的高负荷持续工作特性测试表明其符合作为车用动力源高负载长时间运转的要求.测定了不同气体压力下燃料电池的效率,分析了燃料电池的输出功率与其效率之间的变化关系,讨论了燃料电池作为车用动力源时的能量效率,为车用质子交换膜燃料电池的使用与控制以便发挥其最佳性能提供参考.     

微型直接甲醇燃料电池流场板内多相流动分析

针对微型直接甲醇燃料电池,运用多孔介质理论建立了微型直接甲醇燃料电池流场板内含电化学反应的、毛细力驱动下的微通道内多相流动的传输模型;计算并分析了流场板内微通道尺寸、功率密度等重要参数对毛细力驱动下微通道中多相流动的传输特性的影响,以及流场板内微通道尺寸对电池性能的影响.结果表明:微通道内液相饱和度随通道宽度和高度的增加而增大,随节距和电池功率密度的增加而减小;电池的功率密度随微通道高度和宽度的增加而增大,随节距和长度的增加而减小.     

电池堆中电压衰减最快电池的仿真和试验研究

为研究燃料电池堆中衰减最快单电池的性能,提出了阳极相对湿度影响下(anode relative humidity,ARH)的模型.建立了几何模型和计算网格,并将ARH模型嵌入计算流体动力学软件进行仿真.搭建了一个燃料电池堆测试系统并进行测试.对仿真结果和试验结果进行对比.结果表明:在试验条件下,距离进气口最远的单电池电压衰减最快,性能最差;相比Fluent原模型,ARH模型预测下的极化曲线能更好地与试验结果吻合,当相对湿度为100%时,ARH模型计算值与试验值误差降到3%,比Fluent模型能更精确地预测试验结果.     

质子交换膜(PEM)燃料电池变载过程动态模型

该文通过建立等效电路模型研究质子交换膜(PEM)燃料电池动态变载过程的电压响应。将电池内部发电过程等效为电压源,将电池内部的活化极化损失、Ohm极化损失和浓差极化损失分别等效为活化损失电阻、Ohm损失电阻和浓差损失电阻。建立数学模型,利用Matlab对燃料电池的变载过程的电压动态响应进行模拟仿真,并将仿真结果与单片电池试验结果进行了对比。结果表明:模型计算结果与试验结果有较好的吻合,验证了模型的准确性和可行性。利用该模型进行了大幅度变载过程电压响应预测,观察到了加载过程电压的下冲现象和电压的反极现象。该模型可用于PEM燃料电池各种变载工况电压响应的预测,也可为各种控制模块模型设计提供参考。     

质子交换膜燃料电池的三维数值模拟

对一种质子交换膜燃料电池进行了整个单电池的三维数值模拟.计算中采用单相等温模型,数值求解用整场离散、整场求解的方法,同时采用已知电流通过Butler-Volmer方程修正过电位获得电池电压的方法模拟电化学动力学过程.数值结果与实验值的对比表明,所采用的单电池计算模型在大部分工况下获得的输出电压与实验值偏差均可控制在10%～20%以内.计算并分析了单电池局部电流密度分布,同时将单电池模型与典型单元模型的计算结果进行了对比,发现两者在电流密度、质量组分的分布上均存在明显的差异,其原因主要在于典型单元边界条件设置所致.该工作将有助于对质子交换膜燃料电池的流动、传质与电化学过程进行进一步的数值研究.     

质子交换膜燃料电池启动策略

为了缩短质子交换膜燃料电池启动过程中氢气/空气界面存在的时间并限制电堆启动电压,通过实验研究直接启动、启动前氢气吹扫时间以及启动辅助负载对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性,在此基础上提出一种电堆启动时氢气吹扫阳极和启动辅助负载相结合的燃料系统启动控制策略。实验验证了该启动控制策略不仅能限制燃料电池启动时的高电压以及缩短燃料电池启动过程中电堆阳极侧氢气/空气界面的存在时间,还有利于提高单电池的电压均衡性,是一种有效的质子交换膜燃料电池启动控制策略。     

质子交换膜燃料电池双极板流场分析

质子交换膜燃料电池双极板的流道设计影响反应气体的分布均匀性及流道阻力,进而影响燃料电池性能。通过CFD技术对四种常见的流道设计,包括平行流道、网格流道、蛇形流道、螺旋流道,进行流场分析,比较不同流道设计的双极板的传质面积、气体分布均匀性及流道阻力。在不考虑加工复杂度的前提下,双极板为单流道时采用网格流道性能较佳,多流道时采用螺旋流道性能较佳。     

电解质支持型固体氧化物燃料电池的制备及其工作稳定性

利用固相反应法制备固体氧化物燃料电池（SOFC)的复合阳极材料NiO-ScSZ和复合阴极材料（La_0.8Sr_0.2）_0.98MnO₃(LSM), 并对组装的电解质支持型单电池NiO-ScSZ-LSM进行I V性能测试, 其输出电压每0.2 A为0.9 V. 在外加恒定电流密度(0.2 A/cm²)的条件下, 利用电化学测试仪测试该电池的总电压为每1 000 h衰减0.02 V. 电流遮断法解析表明, 该单电池电压衰减主要为阴极过电压所致.     

燃料电池整机的动态模型解析与响应

以１０ｋｗ、１０单元组成的顺流型溶融炭酸盐形燃料电池为对象，同时考虑到安装在隔板与电极－电解质板之间波状板的影响，建立了有关燃料电池本机的温度与电流密度动态方程式，并应用求解偏微分方程式的加权残差法对方程求解，得到了燃料电池温度与电流密度的分布与响应结果．     

基于计算流体力学的熔盐燃料电池电堆的仿真

基于计算流体力学技术，建立并仿真了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的三维模型，对电堆内部的物质、动量和能量守恒过程进行了理论分析，模型考虑了MCFC电堆的一个重要组成部分-波状板，并讨论了波状板尺寸对电堆性能的影响，结果表明，在采用较大尺寸波状板的电堆中，电化学反应进行得更加充分，所建模型对电堆内部流场的设计有一定意义。     

基于MATLAB/Simulink的氢燃料电池系统建模与仿真

车用氢燃料电池在实际应用中易受外界环境和工况变化的影响,存在电压输出不稳定、大滞后性以及燃料安全性等问题,严重阻碍了燃料电池的商业化应用推广.建立更为准确的燃料电池系统模型能够更有效地进行仿真与优化.采用机理建模和辨识建模相结合的方式建立了氢燃料电池系统模型,依据电堆的实际情况建立了输出电压、输出功率的半经验模型;根据燃料电池系统的工作原理,建立了燃料电池空气供给系统和氢气供给系统的机理模型,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真分析.结果表明:该模型能有效反映电堆运行的工作压力、电堆温度、阴阳极工作压力差以及氧气过量比等关键参数的静、动态变化,进而绘制不同工况下的输出电压、输出功率随负载电流的关系曲线图,从得到的关系曲线图中,得出不同参数的变化对燃料电池运行的影响结果.     

Development and Experimental Research of kW—scale Molten Carbonate Fuel Cells

A kW-scale moten carbonate fuel cells stack was developed and 800-hours‘ operating test and performance experimental research had been done.Utilizing domestic materials completely,we developed NiO cathode and Ni-Al aonde with the active area of 336cm^2 and γ-LiAlO2 electrolyte tile and bipolar plate with the area of 900cm^2,The stack was composed of thirth cells,with 62% Li2CO3 38% K2CO3 as its electrolyte,During the 800hours continuous operating,the performance of the stack was stable.With 99.7%(mole fraction)H2 as fuel and O2 from air as oxidant,the average operating voltage of a cell was about 0.72V.The maximal current density attained to 165mA/cm^2.and the maximal output power attained to 1080Watt.The whole perfomance of the stack approached to the international level in the early 90‘s ,This paper gives the main works and experimants results.     

1 kW自呼吸PEMFC堆控制因素试验

自呼吸质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极侧湿度和温度耦合严重,且空气流量对湿度和温度影响不同,从而使得对电池输出电压的控制变得复杂.以氢气压力和提供阴极空气流量的风扇转速为影响因素,对相应的工作点集进行了正交试验研究.分析结果表明,风扇转速高于极值电压转速时,空气会带走更多的水分,从而使得质子交换膜逐渐干燥,阻抗增大,电池性能衰减;风扇转速低于极值电压转速时,空气流量带走的热量减少,使得阴极表面温度升高,阴极端相对湿度迅速减低,从而导致质子交换膜迅速干燥,电池性能衰减迅速.因此,每个工作点存在一个使电池电压最高的风扇转速值.     

车用质子交换膜燃料电池

文章介绍了500 W质子交换膜燃料电池性能试验,考察了电池气体流道占反应面积的相对体积质量大小、电堆温度、反应气压力、反应气增湿温度及过量系数对电池电压的影响,测得各节单电池的电压分布规律。为适应车用动力源的需要,对电堆进行了大负荷长时间运行试验,测定电堆效率,分析其影响因素。     

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.     

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.     

Modeling and Experimental Study of PEM Fuel Cell Transient Response for Automotive Applications

This paper presents an analysis of the dynamic response of a low pressure proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack to step changes in load, which are characteristic of automotive fuel cell system applications. The goal is a better understanding of the electrical and electrochemical processes when accounting for the characteristic cell voltage response during transients. The analysis and experiment are based on a low pressure 5 kW proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack, which is similar to those used in several of Tsinghua's fuel cell buses. The experimental results provide an effective improvement reference for the power train control scheme of the fuel cell buses in Olympic demonstration in Beijing 2008.     

顺流型熔盐燃料电池电堆的电气特性模型

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的电气与温度特性决定其性能和可靠性，立足于控制MCFC电堆的输出电压，从单体电池推及电堆，比较全面地对MCFC电堆输出电压以及与之相关的电流密度，燃料气体利用率等特性加以分析，在系统级上建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的动态模型，并以外部负载扰动为例讨论了各状态量之间的相互关系，分析和建模的正确性为仿真结果所证实，所得结论有助于控制方案和流场的设计，以及电池材料的选择。