质子交换膜燃料电池的建模与仿真分析

针对当前燃料电池模型复杂、准确度不高、不利于控制策略研究等问题,对质子交换膜燃料电池工作原理进行研究,对燃料电池进行数学描述。通过分析电池工作过程中影响输出的几个主要因素即电化学电动势、活化极化过电压、欧姆极化过电压、浓度极化过电压与双层电荷层作用,建立燃料电池数学模型。用实验测试数据和参数优化方法确定模型参数,并利用Matlab/Simulink仿真平台对质子交换膜燃料电池模型进行仿真分析。仿真结果表明:模型输出结果与实验结果相吻合,模型具有良好的稳态性能;模型输出能快速响应负载变化,其动态性能良好;此模型能真实反映质子交换膜燃料电池工作特性,能有效地用于燃料电池控制策略研究。     

质子交换膜燃料电池电压仿真与分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有转换效率高、无污染、可靠性高等优点,适合作为汽车主要动力源,是新能源汽车领域研究热点.本文基于质子交换膜燃料电池工作机理,以经验模型为基础,建立质子交换膜燃料电池开路电压模型、三种电压损失模型、端电压动态模型.以影响其输出特性的电池工作温度和工作压力作为输入,利用Matlab/Sim...     

质子交换膜燃料电池变载过程动态响应分析

为了研究质子交换膜燃料电池变载过程中气体传输对动态响应的影响,建立了5流道蛇形流场质子交换膜燃料电池三维单相模型,并基于实际参数进行Fluent仿真.分析了运行参数(包括工作压力、进气增湿、化学计量比)对质子交换膜燃料电池稳态性能的影响,以及运行参数对质子交换膜燃料电池动态性能的影响.结果表明:工作压力高、阳极湿度大、化学计量比大能提高燃料电池稳态性能,小电流密度下阴极湿度大燃料电池稳态性能好,大电流密度下则相反;工作压力高、化学计量比大、阴极湿度大能提高燃料电池动态性能.     

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.     

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.     

不同工作条件下燃料电池输出特性的数值分析

针对某金属双极板燃料电池,为了分析不同工作条件对其输出特性的影响,采用计算流体动力学(CFD)方法对质子交换膜燃料电池进行了数值模拟,并通过与试验结果进行对比证明了仿真结果具有一定的参考价值。其后着重分析了工作温度、工作压力、反应物湿度对该金属双极板燃料电池输出特性的影响。结果表明,燃料电池性能受气体传质及膜的质子传导性的影响较大,增大工作压力、增加反应物湿度和适当提高工作温度能够改善燃料电池输出性能。对该金属双极板燃料电池,推荐工作温度为313K~333K,氢气100%加湿,空气60%加湿。     

复杂流道质子交换膜燃料电池单体的两相流模拟

为更真实地模拟质子交换膜燃料电池的工作性能,特别是电池内生成的水蒸气过饱和的情况,发展了一个简化的稳态的、非等温的三维两相流数学模型.模型考虑了相变过程对电池的温度场和传质过程以及电池性能的影响.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm蛇型流道结构质子交换膜燃料电池进行了数值计算,得到了电池内复杂的流场、温度、局部电流密度和组分浓度等的多维空间分布.最后,分析了不同的阴极反应气加湿对电池性能所产生的影响.     

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。     

均温板在质子交换膜燃料电池堆热管理中的应用

过低或过高的工作温度以及过大的温度变化均会影响质子交换膜燃料电池的输出性能和耐久性.有效的热管理是保证质子交换膜燃料电池稳定高效输出的关键因素.本研究将厚度为1.5 mm的均温板作为散热结构应用在质子交换膜燃料电池堆的热管理中,通过安装在5块单电池阴极石墨板上的80个热电偶获取电池内部表面温度,探究了不同负载电流工况下...     

操作参数对PEMFC性能的影响

通过实验研究三通道蛇形非对称流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行温度、气体加湿温度、空气流量、H2流量以及燃料电池工作压力等操作参数对PEMFC性能的影响。结果表明:燃料电池温度保持在333～343K,加湿温度与电池温度相同时,电池性能达到最佳状态;质子交换膜燃料电池中O2的还原反应是影响整个燃料电池放电性能的一个关键因素;工作压力为2.026×105Pa左右时电池的性能最佳。     

燃料电池关键材料与进展

 离子交换膜是燃料电池的重要部件,肩负着在电池内部传递离子,形成完整电池回路的作用。按照传导离子的种类,可以将其分为阳离子交换膜和阴离子交换膜,分别应用于质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池中。本文阐述了这2 类电池的研究进展和应用,提出了存在的主要问题,并着重介绍了常见阴离子交换膜及其合成方法和降解机理,对研究前景提出展望。     

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.     

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。     

车用燃料电池堆与电压变换器的联合仿真

针对质子交换膜燃料电池输出特性不稳定问题,设计了一种以升压电路为主电路,联合脉冲激发的开关控制器为控制电路的直流-直流电压变换器。依据质子交换膜燃料电池原理,搭建出额定功率为35 k W的车用质子交换膜燃料电池堆模型,并验证了模型的有效性和可操作性。为了验证所设计变换器的控制效果,将35 k W质子交换膜燃料电池堆与直流-直流电压变换器进行了联合仿真。仿真结果表明:所设计的直流-直流电压变换器0.4 ms就能将电压稳定且误差控制在1.2%以内,能够很好地满足车用质子交换膜燃料电池堆对升压和稳压的要求。     

质子交换膜燃料电池金属双极板材料腐蚀性能研究

双极板材料及其相关技术是质子交换膜燃料电池实用化进程的关键,通过对几种金属材料在腐蚀池和模拟电池中腐蚀性能的对比研究,初步优选出一种表面无须处理,腐蚀性能与石墨相当,可直接适合在质子交换膜燃料电池环境下稳定工作的镍-铁-铬合金双极板材料。     

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.     

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.     

装配压力对PEMFC气体扩散层影响的研究

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)装配过程中,为得到最佳装配压力以提高燃料电池性能,延长使用寿命,建立基于有限元分析法(ANSYS)的三维单通道质子交换膜燃料电池模型。通过此模型研究燃料电池模型在不同装配压力下的气体扩散层形变和应力分布情况,并模拟出气体扩散层顶部变形曲线。分析不同装配压力对气体扩散层形变量及孔隙率的影响,同时,结合气体扩散层形变后不同位置孔隙率的变化,得出最佳装配压力范围为1.5~2.0MPa。     

PEMFC在航空地面电源中的应用

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种不经过燃烧、直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置,具有能量转换效率高、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点。本文介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理与特点,探讨了质子交换膜燃料电池应用于航空地面电源的可行性,并对其应用安全性、可靠性、维修性进行了理论分析。