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.     

HT-PEM燃料电池性能实验分析

目的研究电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池的性能影响.方法通过电化学工作站测试了HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,利用等效电路法分解得到HT-PEM燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度、氢气流量和空气流量对燃料电池的伏安特性、欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池性能有一定影响,温度升高和增大气体流量能够一定程度地提高高温质子交换膜燃料电池的性能.HT-PEM燃料电池的性能不会随着气体流量的增加而一直增加.结论升高温度降低了燃料电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗;氢气流量变化和空气流量变化对欧姆阻抗和法拉第阻抗没有明显影响.     

酸化剂中H_2SO_4含量对PBI燃料电池性能的影响

目的探究高温酸化时在酸化剂中加入不同含量的H2SO4对PBI膜和高温燃料电池电极的影响.方法质子交换膜是高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池的核心部件,对燃料电池的性能起到主导作用.笔者制备了酸化剂中掺杂不同量H2SO4的PBI膜,测试了高温PBI燃料电池的I-V特性和交流阻抗特性,对比了PBI膜表面SEM照片的差异,分析了高温PBI膜掺杂硫酸的含量和电池温度对高温燃料电池性能的影响.结果研究发现:高温PEM燃料电池的PBI膜在高温酸化时及高温燃料电池运行时,H2SO4的强氧化性起主导作用,破坏了PBI膜的内部结构,阻碍了质子的传递,对PBI膜和燃料电池电极均有损伤.结论酸化剂中掺杂强电解质强氧化性的H2SO4不利于高温PBI膜燃料电池性能的提高,虽然常温下经H2SO4处理后的PBI膜的电导率能够显著提高,但高温运行的PBI膜燃料电池的性能有明显下降.H2SO4的加入对PBI膜的电导率没有明显的提升,反而对高温燃料电池的性能有所抑制.掺杂强电解质H2SO4对提升电池性能是不合适的.     

膜电极热压条件对直接甲醇燃料电池性能影响的研究

该研究以Nafion 115为质子交换膜,利用热压法制备膜电极（MEA）,对直接甲醇燃料电池进行了性能测试。实验结果表明,不同的热压温度及压力下制备的膜电极在单电池性能测试中表现出不同的极化曲线性能,优化膜电极制备温度及压力可有效地改善直接甲醇燃料电池的性能。     

一种质子交换膜燃料电池冷启动分层数值模型

针对质子交换膜燃料电池在低温环境启动时伴随的复杂物理和化学现象,搭建了一种新的燃料电池单电池冷启动数值模型,该模型全面包含了燃料电池低温启动的电化学反应机理、水热传递机理、水相变机理等.研究了催化层聚合物体积分数、孔隙率、质子交换膜厚度三个因素对低温冷启动的影响.最终提出了储水量(WSC)这一预测燃料电池低温冷启动能力的指标.     

质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移

在混合流动模型的基础上,建立了一个新的二维两相流模型来研究质子交换膜燃料电池内水分的传递规律和分布状态,在该模型中,催化剂层作为一个有厚度的实体包含在电极中.模型耦合了质子交换膜燃料电池电极中的流动方程.组分方程、催化剂层和质子交换膜中的电势和电流密度分布方程,可以应用在质子交换膜燃料电池的阴极,也可以使用在阳极.同时,模型还考虑了相变引起的液相和气相间的动量变化,重点模拟了水分在燃料电池的阴极、阳极和质子交换膜中的传递规律及其分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度、提高电流密度和降低电池温度都会使电池质子膜中的水分含量增大,质子传导率升高,也会使阴极中液态水含量增加,阴极浓差极化加剧.     

不同因素对质子交换膜燃料电池的影响

随着能源危机及环境问题日益加剧,一种无污染且效率较高的电池——质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究对实际应用也日趋重要,研究的主要指标则是输出特性。根据质子交换膜燃料电池的数学模型,在simulink环境下建立了其稳态模型并进行仿真。对影响质子交换膜燃料电池输出特性的因素(单个电池的电压,活化过电压,欧姆过电压,浓差过电压,功率以及电池效率)进行分析,以电流密度为横轴,得出在不同工作温度,不同气体压强以及不同膜的水含量的情况下质子交换膜燃料电池的最佳稳态输出特性。通过优化参数,改善燃料电池的性能,这对质子交换膜燃料电池的实际应用具有重要的意义。     

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。     

基于ANSYS的PEM单电池组装应力分析

采用ANSYS软件对质子交换膜燃料单电池装配进行有限元分析.分析了300、400、500、600 N等不同大小的载荷对装配的影响,对比了这4种载荷下燃料电池堆的核心部件膜电极组件的变形情况及应力分布情况,得出燃料电池单电池的最佳装配压力为400 N.该结果可为燃料电池堆的组装提供较好的参考依据.     

流道对ab-PBI膜高温燃料电池阴极传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的流道深度及其宽度对于提高其性能的影响.方法建立了一个二维、单相、稳态数学模型模拟研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气分布规律,分析流道深度及宽度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在高温质子交换膜燃料电池阴极中,氧气浓度沿着流道方向降低,而水分浓度则升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度升高,而水分浓度降低.在一定范围内增大流道深度,电池阴极催化剂层和扩散层内氧气浓度越大,水分浓度越小.在一定范围内增大流道宽度,电池阴极扩散层和催化剂层内氧气浓度越小,水分浓度越大.结论在一定范围内降低流道的深度和增大流道的宽度有利于氧气的传输与充分反应,可以提高高温质子交换膜燃料电池的性能.研究结果对高温质子交换膜燃料电池的流场结构参数的优化具有重要参考价值.     

质子交换膜燃料电池膜电极再发电性能的研究

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极(MEA)的二次发电性能进行了研究.由单电池的电性能测试表明,二次使用时MEA的开路电压下降5.0%,最大电流密度和最大功率均降低约50.0%.SEM的测试结果显示,二次使用的MEA的表面有催化层脱落现象,减少了电极的活性反应区域,降低了其发电性能.     

质子交换膜燃料电池最优过氧比多内模控制

基于多模型的内模控制及前馈控制研究了质子交换膜燃料电池的最优过氧比控制策略.在该策略中,通过选择不同典型工况点进行模型线性化以获取系统内模;结合隶属函数和前馈设计方法实现了最优过氧比的多内模控制策略.仿真结果表明,该控制策略比常规单内模控制器以及PID控制在大范围内具有更好的控制品质.     

质子交换膜燃料电池用气体扩散层--碳纤维纸的制备

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理,并通过分析气体扩散层材料的性能要求,设计了一条制备高性能碳纤维纸的技术路线.对制得的碳纸样品进行了显微结构和基本性能的表征,同时还将它应用于PEMFC的单电池中进行综合性能的测试,测试结果表明,按照这种技术路线制得的碳纤维纸在性能上基本能满足PEMFC的使用要求.     

Ca2+对质子交换膜燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)长期运行过程中,其部件因损伤产生的杂质金属离子对燃料电池的电化学性能有重要影响。模拟PEMFC中Ca2+污染燃料电池工况,研究了Ca2+对PEMFC电化学性能的影响。实验结果表明:随着污染时间的增加,燃料电池性能逐渐衰减,当污染时间超过9 h,电池电压急剧降低;在高电流密度区(电流密度>400 mA/cm2),电压衰减最明显。在500 mA/cm2电流密度下恒电流放电2 h后,电压降低了41%。Ca2+的存在及其积累对质子交换膜燃料电池有明显的毒化作用。     

操作条件对质子交换膜燃料电池性能的影响

通过测量电池的电流-电压、电流密度-功率和电流密度-时间曲线,研究了温度、压力和尾气排放速度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,得出了电池较佳的工作条件。实验结果表明：氢气和氧气的较佳工作压力分别为0.03MPa和0.3MPa;在该压力下,电池工作温度为60℃时,电池的最大功率密度可达0.44W/cm²;当尾气排放速度为20mL/min时,电池能够高效、稳定的运行。     

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.     

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.     

一种改进的质子交换膜燃料电池系统动态模型

在已有的质子交换膜燃料电池系统模型基础上添加气体扩散层模型和膜电极组件动态模型,研究膜中水含量的动态特性.仿真结果表明,系统动态模型改进之后其输出性能与实验值误差较小,能够反映外部操作条件变化对电池内部电化学反应和物料传递过程的影响,膜中水含量和输出性能的动态响应过程更加接近实际情况,相关信息可用于间接控制膜中水含量和优化系统.     

质子交换膜燃料电池的研究与应用

在能源和环境危机的今天,质子交换膜燃料电池由于其特点和优势有着更多的发展前景。文章在介绍质子交换膜燃料电池在各领域应用和发展现状的同时,也从电池材料和制造技术、成本、氢能源等几个方面进行了分析,阐述了质子交换膜燃料电池发展中面临和要解决的一系列问题。     

薄型金属流场板燃料电池性能研究

对某金属流场板燃料电池进行性能试验,通过与某石墨流场板燃料电池在燃料电池效率和单电池平均电压等性能上的对比,对该电堆的整体性能进行了评价.同时对该金属流场板燃料电池进行了100 h振动可靠性试验,振动后通过对单电池电压的分析,发现该金属流场板燃料电池单电池一致性下降,每次振动后极化特性试验中单电池电压最大值出现的位置并无明显规律,而单电池电压最小值出现的位置为燃料电池的末端.