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。     

锂离子电池浓差极化及放电特性分析

针对锂离子电池内部浓差极化及其影响因素,对典型的NCM/C系锂离子电池进行试验获得关键性能参数,利用COMSOL软件建立电化学模型并试验验证其准确性,基于模型开展电池放电过程中固、液相浓差极化特性及其主要因素对电池放电性能影响的仿真研究.结果表明:电池在放电过程中,单独改变负极粒径对负极固相浓差极化的影响更加明显,等比变化范围内负极引起的固相浓差变化幅度约是正极的136.05％;改变正极厚度更易加剧液相浓差极化,等量变化范围内正极引起的液相浓差变化幅度约是负极的199.01％;正极厚度对电压平台和电池容量影响显著,负极粒径影响电压平台而对容量几乎无影响;相比两者,正极厚度是同时影响电池浓差极化和放电性能的关键因素.     

基于温度条件下PEM燃料电池的动态特性

目的研究温度变化对PEM燃料电池动态特性的影响,分别比较不同加湿温度和电池温度下PEM燃料电池的动态特性,找到最佳加湿温度和电池温度.方法通过测试PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,采用等效电路法研究燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度和加湿温度对燃料电池的伏安特性,欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果实验得出电池温度和加湿温度不同对PEM燃料电池的影响不同;不同的电池温度和加湿温度对电池的电阻变化影响不同.结论当加湿温度低于电池温度10K时,电池性能最好,欧姆阻抗和法拉第阻抗最低;因此实验结果对PEM燃料电池性能的优化具有重要意义.     

全钒液流电池的稳态充电数值模拟

为研究大容量蓄电储能全钒液流电池的充电能力,建立基于电池内部传递与反应相耦合的机理模型,模拟电池二维、等温、稳态、充电的状态,得到电池极化的比重数据,并从机理出发深入分析极化的主要来源.通过数值模拟碳毡电极电导率对电极过程的影响,给出反应区域的二维分布特点及规律.研究结果表明:欧姆极化约占总极化电压的50%,浓差极化约占30%,动力学极化占20%;反应区域的分布与多孔电极电导率及电解液电导率的相对大小有关,电流总是选择电阻较小的方式传导.     

质子交换膜燃料电池电压损耗

质子交换膜燃料电池电压损耗的定量分析,对于寻求膜电极性能的提升空间具有重要的参考意义。该文以实验室自制的膜电极为研究对象,对其内部损耗、 ohm极化、活化极化以及浓差极化依次进行了实验分析。结果表明:在阴极铂载量为0.2 mg/cm~2的膜电极中,活化极化在整体电压损耗中所占比例最高,这一现象在低温下愈发明显; ohm极化的占比最小,电流密度为1 550 mA/cm~2时,其最大值约为0.09 V;浓差极化在低电流密度区域的影响较小,在大电流密度区域以指数形式增长。经过对浓差极化的分析发现, 40%～44%的氧气扩散阻力主要来源于气体扩散层内的分子扩散阻力, 43%～50%的氧气扩散阻力主要来源于氧气穿过离聚物层到达铂表面的阻力。     

空冷型PEMFC电堆输出功率与热特性试验研究

主要对500 W空冷型PEMFC电堆进行了电堆负载动态阶跃响应、单电池电压均一性以及电堆内部温度分布实验研究.通过变载实验,发现电堆每次变载时电压都出现过冲现象,同时同一电流下对应的温度和电压,加载过程要比卸载过程低;单电池电压随着负载增加,波动越来越大,距离阳极排水口较远的单电池最容易发生水淹,位于电堆中部位置的NO.13~NO.21单电池电压均一性表现较好;电堆内部温度分布不均匀,与位置有很大关系,在不同负载下,电堆底部温度要比顶部温度高.     

燃料中CO_2杂质对高温质子交换膜燃料电池性能的影响

目的研究燃料中添加不同浓度的CO2对高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池性能的影响.方法运用燃料电池测试系统对HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗特性进行测试,并采用等效电路分析获得了HT-PEM燃料电池的等效元件,分析了重整燃料H2中CO2含量对HT-PEM燃料电池伏安特性和交流阻抗特性的影响.结果氢燃料中的CO2对HT-PEM燃料电池有一定的毒化作用,主要体现在CO2吸附在催化剂表面,形成了Pt-CO键,降低了电池的开路电压,导致浓差极化加剧.如果通入纯氢气燃料,电池性能可恢复至95.3%水平.结论提高燃料中CO2的含量,燃料电池的法拉第阻抗增大,电池的性能降低;随着温度的升高,电池系统对CO2的容忍度降低;CO2对电池性能的影响可以得到恢复.     

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。     

固体氧化物燃料电池数值仿真模型的建立

基于COMSOL Multi-physics 5.3a仿真平台,建立三维模型对固体氧化燃料电池进行数值计算。考虑板式固体氧化物燃料电池单体内部的气体流动、组分质量分数、电化学反应过程,研究不同工况下的气体分布、电流密度和极化情况,分析电池长度、工作温度、进气成分对固体氧化物燃料电池工作性能的影响。研究结果表明:固体氧化物燃料电池入口处气体质量分数较大,电化学反应速率也较快;在高电流密度下,入口氧气的质量分数会显著影响电池性能,而在低电流密度下,氧气质量分数不是影响电池电压的主要因素;当电池工作温度升高时,电池内部很多参数会发生变化。     

金属支撑固体氧化物燃料电池阻抗谱动态分析

采用悬浮等离子喷涂工艺制造金属支撑固体氧化物燃料电池(SOFC),阴极为SSCo-SDC(质量分数比为75%:25%),电解质为SDC,阳极为NiO-SDC(质量分数比为70%:30%),支撑体为多孔Hastelloy X合金.在450～600℃下,对极化电阻、欧姆电阻、本体电阻与界面接触电阻分别进行了静态分析,分析结果显示接触电阻对欧姆极化损失的影响较大.电池经受3次慢速热循环(3℃/min)和12次快速热循环(60℃/min),并记录600℃时动态阻抗谱和开路电压.基于对欧姆电阻和极化电阻的动态分析,给出了金属支撑SOFC可能的降解机理.动态分析结果也显示,金属支撑体的抗氧化性在金属支撑SOFC稳定性中发挥重要作用.     

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.     

基于PID的中温型固体氧化物燃料电池稳态控制①

为了解决传统稳态性控制能力较差的问题,提出一种基于模糊PID动态反馈调节的中温型固体氧化物燃料电池稳态控制模型。利用模糊变结构PID神经网络构建被控对象模型,在电池输出增益稳定条件下,采用模糊PID动态反馈调节方程进行控制目标函数分析,根据电池的电压输出权重进行模糊自适应学习,构建电池隐含层权重学习的时滞双曲比例微分调节反馈单元,在边值控制节点中进行电池稳态性输出的鲁棒性训练,求取电池电压输出的最优解,完成稳态控制模型的构建。仿真结果表明,该方法的稳态控制误差平均约为0.06。得出使用该方法进行中温型固体氧化物燃料电池输出控制的稳态性较好,降低了中温型固体氧化物燃料电池的输出振荡。     

动力锂电池变电阻均衡充电方法研究

针对动力锂电池组中单体电池之间电压不一致性,提出一种变电阻均衡充电方法。在分析了单体电池间电压不一致性的原因、设计数字可变电阻器和可变电阻仿真模型的基础上,采用Matlab/Simulink软件对可变电阻均衡充电进行仿真,根据电池端电压大小调节均衡电阻值。结果表明变电阻均衡控制可使电压误差控制在0.3 mV以内,有效的减小单体电池之间的不一致性、延长电池的使用寿命。     

全钒液流电池充放电特性及其影响因素试验

目的探索全钒氧化还原液流电池中电流密度、电解液浓度、电解液流量大小等操作参数对钒电池性能、能量效率的影响.方法将Nafion117膜、石墨毡和带流场的集流板组装成全钒液流电池,采用日本菊水电子工业株式会社制造的液流电池测试平台,测试了全钒液流电池充放电特性、库伦效率、电压效率和能量效率,分析了充放电电流和电解液浓度对全钒液流电池充放电特性、库伦效率、电压效率和能量效率的影响.结果研究发现:增大充放电电流密度和电解液浓度,可以缩短全钒液流电池充放电时间;增大充放电电流密度,可提高电池的库伦效率,而降低电池的电压效率和能量效率;增大电解液浓度,电池的库伦效率、电压效率和能量效率都降低.结论增大电流密度,可以降低电池的自放电和减少电池的副反应的发生,从而减少电池的充放电时间,电池的库伦效率增加;增大电流密度,欧姆极化产生的电压损失增加,电池的能量效率和电压效率降低;增大电解液浓度,单位体积内参加电化学反应的活化分子数增加,在电解液体积一定的情况下,电池的充放电时间缩短,库伦效率、电压效率和能量效率增加;增大电解液流量,电池的传质电压损失减少,浓差极化产生的过电位减少,电池性能越好.研究结果对优化全钒液流电池的操作参数、推动其运用具有重要意义.     

质子交换膜燃料电池氢气渗透电流及电子电阻检测方法

该文根据燃料电池在线性电位扫描下的响应特征,建立了等效电路模型,以区分电池内部的电化学过程,包括氢脱附、双电层电容充电、电子内部短路以及氢气渗透。基于该模型,改善了线性电位扫描的分析方法,消除了扫描速率对结果的影响,并解析得到了氢气渗透电流和电子电阻。根据模型假设,详细阐述了恒电流扫描测量氢气渗透电流和电子电阻的分析方法。在一个34cm~2的单体电池上应用两种方法进行测量对比,结果表明:线性电位扫描得到的氢气渗透电流为1.19mA·cm~(-2),电子电阻为479Ω·cm~2;恒电流方法得到的氢气渗透电流为1.25mA·cm~(-2),电子电阻为413Ω·cm~2。该模型可用于分析燃料电池各种电化学测量过程,线性电位扫描方法和恒电流方法为燃料电池不同场合的测量和分析提供了参考。     

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.     

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...     

光伏电池阵列模型的Matlab设计与仿真

利用Matlab软件平台搭建了光伏电池阵列的仿真电路模型,研究了光照因素、温度因素及光伏电池内部参数对光伏阵列电气特性的影响,并针对动态光照条件下光伏阵列的输出特性进行仿真和计算.研究结果表明:光照强度、温度和串联电阻的变化对光伏阵列开路电压、短路电流、伏安特性、输出功率及最佳工作点具有显著影响,光伏阵列的仿真模型可以较好实现光伏阵列的动态仿真.     

进气相对湿度对变载工况下PEMFC电堆性能的影响

为了探究进气相对湿度对质子交换膜燃料电池电堆变载工况性能的影响,设计了一个动态循环工况,包括电流密度从0.10到0.35 A/cm²、从0.10到1.00 A/cm²的2种阶跃工况和电流密度分别为0.10、0.35、1.00 A/cm²的稳定工况,进行了相对湿度分别为20%、30%、50%、70%、80%的5组试验.结果表明：恒流状态时,电堆在不同电流密度下对相对湿度的敏感性不同,在大电流密度下相对湿度对电堆性能影响较大;变载过程中,电堆电压出现下冲和过冲现象,加载过程的电压下冲量与变载幅度和相对湿度有关,电堆单电池电压一致性变差,电压一致性与进气相对湿度有关.