质子交换膜燃料电池建模研究评述

车用动态工况下,质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部压力、温度和气体浓度直接影响整个系统的性能和耐久性,因此需要借助数学模型分析电池内部传质、传热和化学反应过程,以优化燃料电池系统设计及控制。然而,燃料电池是一个非线性、多输入、强耦合的系统,模型的建立涉及从原子分子级尺度,到材料晶格结构级尺度,再到部件、电堆和系统级尺度。针对多尺度建模问题,从关键部件、单体、电堆及系统等角度,对不同尺度的建模方法进行全面梳理,并阐述了未来建模的挑战及发展趋势。     

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.     

基于正交试验的低压燃料电池性能

通过对低压质子交换膜燃料电池的正交试验研究,得到如下结论:氢气的湿度与氢气的当量比对于燃料电池性能的影响较小,相对于空气的湿度、当量比以及燃料电池的工作温度而言,可以不予考虑;空气当量比对燃料电池性能的影响在5个运行参数中是最复杂的.它不是有固定的影响效果,而是随着工况点的变化,随着燃料电池电流大小的变化,而发生较大的变化.随着电流的增大,空气当量比对燃料电池性能的影响也增大,当电流达到较高水平时(本试验中电流达到120A之后),这种影响会下降.     

Polymer Materials for Fuel Cell Membranes ：Sulfonated Poly（ether sulfone） for Universal Fuel Cell Operations

Polymer electrolyte fuel cells （PEFCs） have been spotlighted because they are clean and highly efficient power generation system. Proton exchange membrane fuel cells （PEMFCs）, which use reformate gases or pure H2 for a fuel, have been employed for automotives and residential usages. Also, liquid-feed fuel cells such as direct methanol fuel cell （DMFC） and direct formic acid fuel cell （DFAFC） were studied for portable power generation.     

进口温湿度对质子交换膜燃料电池输出性能的影响

为研究阴阳极气体进口温度和相对湿度（relative humidity,RH）对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,构建了一维非等温的两相模型,并采用团聚体子模型考虑催化层微观结构的影响。结果表明：阴阳极相对湿度相同时,干工况（RHa 50% / RHc 50%）下工作温度对燃料电池输出性能的影响有限;不同工作温度时获得的最高电流密度所对应的RH工况不同,90℃时可在高阳极湿度/低阴极湿度工况（RHa 90% / RHc 50%）下获得最高的电流密度,而70℃适合于在高湿度环境（RHa 90% / RHc90 %）下获得更好的输出性能。然后,基于粒子群算法,优化得出阳极湿度恒为90%、且在低阴极RH 0~50%时,温度越高,获得最大功率密度的阴极湿度越小。工作温度和阴极RH分别控制在90℃和14.6%时可获得最高的功率密度,约为0.88 W/cm²。     

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数值模拟的研究进展

通过数值模拟研究燃料电池的特性不仅可以获得许多实验测量难以得到的数据信息和工作机理,而且可以减少实验所用的费用,并大大缩短电池的设计周期。对现有的质子交换膜燃料电池(PEMFC)数学模型按照维数、复杂程度等特征进行了简要的回顾,对国内外发展PEMFC数学模型的主要研究工作和最新的进展予以简单评述和比较,指出了到目前为止所建立的模型存在的不足和未来模型的发展方向。     

质子交换膜燃料电池带载吹扫实验研究

通过实验对质子交换膜燃料电池单电池的停机吹扫过程开展研究。基于带载吹扫的方式研究带载电流、吹扫流量、单电池温度对吹扫的影响。研究结果表明：带载吹扫能有效地降低单电池吹扫时的电压,带载电流越大单电池初始电压越低,且随着吹扫时间的增加电池电压持续降低,可有效避免单电池长时间处于高电位。此外,增大吹扫气体流量、提高电池温度均可提高吹扫的速率,且两者对吹扫速率影响较明显。在实验条件下,阳极进气流量0.34 L/min,阴极进气流量1.32 L/min,带载电流密度0.04 A/cm²,能够同时满足吹扫时间较短、氢气消耗量较少和吹扫时电池电压较低的吹扫目标。     

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性能影响因素的数值分析

为研究交指流场质子交换膜燃料电池的输出性能,分析影响其性能的因素,寻找改善其性能的可行措施,探讨了使用交指流场流道的必要性和优越性,建立了包括质子交换膜燃料电池阴极/阳极侧流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的完整的稳态、三维、两相数学模型.基于计算流体力学方法,用该模型对交指流场质子交换膜燃料电池的全流场进行了统一的数值计算以模拟其输出性能,分析了流场流型、氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度和双极板筋宽对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,确定了提高质子交换膜燃料电池输出性能的一些方法.将理论模型的模拟计算结果与实验结果进行比较,两者较为吻合.     

螺杆集成方式对燃料电池电化学性能的影响

以15片单体电池组成燃料电池电堆为研究对象,进行电化学性能、交流阻抗与内部接触压力分布的试验测试.系统全面地研究了螺杆集成方式燃料电池电堆电化学性能的影响,深入剖析集成力大小和加载方式对燃料电池电堆内欧姆交流阻抗和内部接触压力分布的作用机制,螺杆集成方式不利于电堆电化学性能的高功率输出.得出电堆内压力分布均匀性和燃料电池电化学性能的提高不应仅局限于集成力大小,更重要的是均匀的集成力加载方式,以及配合端板结构进行优化和匹配.     

质子交换膜燃料电池停机后吹扫仿真

基于单电池内部水相变和传递的机理建立了燃料电池一维吹扫水传递模型,研究了空气同时吹扫阴阳极方法中电池温度、吹扫气体流量对吹扫的影响,并且对比了氢气和氧气分别作为阳极吹扫气体对吹扫效果的影响.仿真结果表明:吹扫初始时刻存在水从阴极到阳极的反扩散现象;电池温度对吹扫的影响程度大于流量对吹扫的影响程度,并且温度越高,膜含水量减少越快;空气吹扫阳极气体既节能又省时.     

三种运行参数对PEMFC动态响应的数值分析

为了探究在电流阶跃变化中工作温度、相对湿度和背压等运行参数对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响,运用相对湿度和工作温度之间的耦合变化推导出了动态计算（DT）模型。该模型通过工作温度和相对湿度来阐述膜电极参数和PEMFC性能之间的特性关系,并分析在电流阶跃变化中这两种运行参数对质子交换膜（PEM）内水传递特性、输出电压和功率密度随时间变化的瞬态响应的差异。采用理论计算结合试验的方式,首先通过自定义函数（UDF）将DT模型导入到Fluent软件中进行计算并应用有限体积法进行求解;其次开展PEMFC动态负载性能测试,测量工作温度为50℃、60℃、70℃,背压为0、10 kPa,相对湿度为50%、75%、100%,同时改变电流负载（阶跃幅度为5 A）来实现PEMFC对电流阶跃动态响应的测试;最后通过极化曲线和I-P曲线对DT模型和试验数据进行比较分析。结果表明：实验数据与DT模型的仿真结果之间有很好的相关性;不对称加湿是影响功率密度的一个主导参数;阳极相对湿度决定了功率密度在发生阶跃电流后稳定运行的能力;PEM水含量与功率密度下冲幅度和响应时间有关。因此,工作温度为60℃、背压为10 kPa、阳极相对湿度为75%、阴极相对湿度为100%时,PEMFC的动态性能最佳。     

质子交换膜燃料电池引射器的设计及特性

提出了以文丘里管引射器为循环装置的供应系统.以索科洛夫的引射器设计方法为基础,针对某高压质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统对引射器进行结构设计及特性研究,并对其进行了试验验证.结果表明:增大引射器出口压力和引射流体压力可使引射系数得到提高;工作流体压力对引射器性能的影响随引射器出口所处工况的变化而变化.     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置.质子交换膜是PEMFC的核心组成,是一种选择透过性膜,主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用.PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂,为降低成本,提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向之一.文中对PEMFC电极的制备技术和电池的水管理、热管理方法等作了简要介绍.     

两种不同质子交换膜燃料电池性能试验与分析

利用自主开发的100 kW级燃料电池测试平台,对2款车用质子交换膜燃料电池的极化特性曲线、电流密度以及单电池一致性等性能进行了测试,提出了一种评价单电池一致性的方法.研究结果表明,2款质子交换膜燃料电池发动机在上述性能指标上有较大差异;在车载使用条件下,工作压力较高的燃料电池具有更好的环境适应性.     

Analysis of Water Management in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Introduction Fuel cells provide an environmentally friendly high- efficiency power source that is not limited by the Carot efficiency. The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is considered to be the most promising can- didate for electric vehicles …     

质子交换膜燃料电池故障诊断的模式识别方法

针对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)故障诊断,提出了一种基于电化学交流阻抗谱(EIS)的组合模式识别方法,即采用典型频率点的EIS拟合,快速获取EIS并达到抑制低频点"飘散"的效果,以EIS与实轴的两个交点(高频交点和低频交点)作为故障诊断的特征向量值,采用模糊C均值聚类和支持向量机算法分别对样本特征向量、待测特征向量进行聚类和分类.采用已发表文献中的实验数据构造了故障模型并进行了仿真分析,结果表明提出的方法快速、有效.     

质子交换膜燃料电池用碳纳米管载铂催化剂的研究

采用原位化学还原法制备碳纳米管载铂(Pt/CNTs)和碳粉载铂(Pt/C)催化剂,并对它们进行透射电镜分析和X射线衍射分析,同时制成膜电极,组成单电池,对质子交换膜燃料电池的性能进行测试.实验结果表明,所制备的两种催化剂中铂粒径均较小(4nm左右),而Pt/CNTs表现出的催化性能比Pt/C更优越.