氢燃料电池汽车发动机低温冷启动研究

目前,汽车行业燃料电池发动机普遍实现了-30℃启动,且燃料电池汽车冷启动能耗低于锂离子电池电动汽车冷起动能耗。为实现低能耗的快速启动燃料电池汽车,总结和梳理了冷启动技术理论和大量的试验和优化方案。从部件设计布置、管道设计、开关机与吹扫策略、冷启动故障诊断策略和辅助加热方面开展研究,形成了一系列有利于冷启动的软硬件解决方案,并通过台架和车辆测试进行了验证。立足工程应用,通过结构优化、策略开发和故障诊断及保护机制,提升燃料电池发动机可靠性和低温冷启动成功率,降低冷启动失败风险和对系统的损伤。     

燃料电池发动机-20℃冷启动研究

文章对上汽燃料电池发动机进行了-20℃冷启动试验研究。基于现有系统架构和控制策略,利用环境仓内开发试验台架,成功完成-20℃冷启动,启动时长为40 s,电堆单池一致性满足要求,无明显单低和反极现象。同时对启动过程中的能量分配和停机吹扫进行了分析,为后续-30℃冷启动策略开发提供宝贵经验。     

车用燃料电池堆低温停机吹扫试验研究

质子交换膜燃料电池停机吹扫是保证电池在低温环境下安全存储与正常启动的重要方法。为实现快速停机吹扫，且满足-40℃无损存储与低温启动的要求，本文首先构建了吹扫过程水平衡模型，对吹扫过程水的产生和移除进行分析；其次，对吹扫主要参数进行敏感性分析，确定了电池温度为强敏感性参数，增湿温度为中敏感性参数，气体流量为弱敏感性参数；再次，对吹扫结果进行30次-40℃/60℃的冻结/解冻循环试验，并对试验后电池进行物理形貌和电化学分析；最后，进行了-40℃低温启动验证。结果表明，通过对吹扫参数的优化大幅缩短了低温停机吹扫时间，吹扫后的电池在-40℃低温存储后性能未见衰减，形貌无明显变化，且吹扫后的电池能够实现-40℃低温启动。     

燃料电池发动机用金属流场板电堆性能的试验研究

对某型金属流场板燃料电池电堆进行了性能试验,对其特性曲线和单电池一致性进行了分析。结果表明,该电堆最大功率27.5 kW,对应电压78 V,单电池一致性随着电流负载的增大而下降。对比该电堆与某石墨流场板燃料电池电堆表明,在相同电流密度下前者单电池电压低于后者,但单电池一致性比后者好。     

PEM燃料电池电堆低温起动试验

为评价不同参数对PEM燃料电池电堆低温起动性能的影响,搭建了燃料电池电堆低温起动试验平台,对5 kW燃料电池电堆在-5℃、-10℃和-15℃下的低温起动性能进行了试验研究。结果表明,在低温下恒电压模式比恒电流模式更有利于电堆升温;电堆起动电压为30 V时升温速度快于40 V和20 V时;初始温度越低时电堆升温速率越慢。另外,经过低温起动后电堆性能发生了衰减,电镜扫描结果也显示经过低温起动后电堆质子交换膜局部出现了破损,应采取措施减缓低温起动对电堆的损伤。     

高功率薄型金属双极板质子交换膜燃料电堆研究

对高功率车用薄型金属双极板PEM燃料电堆模块进行测试研究,电堆模块表现出良好的特性。在工作电流50～120A的窗口区间内,单池电压具有相对最好的均匀一致性。在320A放电电流下,使用纯氢/氧气的电堆输出功率比使用氢/空气高出约10%。对4单体薄型金属双极板燃料电池短堆进行耐久性测试,累计超过2900h,平均单池电压衰减率约为10mV/1000h。     

车用大功率燃料电池发动机进气系统控制

为满足100 kW大功率氢燃料电池发动机工作时气体供应需求，开发进气系统控制策略。首先对燃料电池电堆及进气系统进行建模，依托被控对象模型设计开发了“MAP前馈+PID反馈”的阴、阳极进气控制策略，采用单片电压状态与系统效率加权求和的方式标定阳极吹扫时间，并通过台架测试验证了该策略部署到实际控制器中的控制效果。结果显示，在稳态和瞬态工况中均实现了对压力和流量的快速响应，使得电流拉载速率提高到120和-170 A/s，阳极压力稳态和瞬态控制精度分别为98.93%和95.10%，全功率单片电压平均值为15 mV，一致性较好。基于测试数据标定搭建了阴极进气系统状态方程，开发了集成非线性扰动观测器和基于Lyapunov直接法的非线性控制器的进气方案，经MIL仿真测试显示了对空气进气控制目标的准确控制，为进一步提高控制系统响应精度提供了理论基础。     

氢燃料电池汽车发动机关键技术研究现状及趋势展望

针对国内外氢燃料电池汽车发动机的电堆及其关键组件、关键零部件及水热管理技术,总结了其研究现状和发展趋势。在电堆及其关键组件研究方面,为进一步提高电堆功率,降低电堆成本,可着手于有序化膜电极制备工艺的研发,发展低铂催化剂以及探究金属双极板及其涂层技术。在关键零部件研发方面,空气压缩机和氢气循环泵将朝着大流量、小型化等方向发展。在水热管理研究方面,优化双极板流场和气体扩散层的微孔结构,采用复合控制策略等方式有利于燃料电池的水热管理。     

车用质子交换膜燃料电池典型工况的试验研究

针对发动机的典型工况,对车用低压燃料电池堆性能的影响因素进行了试验研究。怠速工况主要研究不同进气湿度、不同空气过量系数及不同进气压力对电堆性能的影响;额定工况主要研究过饱和增湿下积水对电堆性能的影响。结果表明:适当的过饱和增湿以及增加电堆的进气压力能改善电堆的怠速性能;在高负荷高湿度的情况下,电堆内部存在积水现象,影响电堆单片电压的一致性。     

质子交换膜燃料电池堆自加热冷启动仿真研究

针对燃料电池堆低温特性差的问题,提出一种燃料电池堆自加热方案,仿真分析车用燃料电池堆自加热过程中温升情况。结果表明:适当的自加热电阻能够改善电池堆的低温启动性能,比热容小的金属双极板电堆更容易实现低温冷启动。     

氢燃料电池汽车排氢阀工作特性研究

氢燃料电池汽车排氢阀,直接关系着氢燃料电池汽车电堆的性能及其安全。氢燃料电池汽车行驶时,排氢阀处于打开或是关闭状态。打开时,把阳极侧少部分的水和混合气体排到大气中,使得氢气浓度保持较高水平,电堆转化效率不至于降低过多;关闭时,使得阳极能够保持足够的工作压力,使得电堆保持较好的转化效率。文章说明了氢燃料电池汽车的排氢阀的在燃料电池系统中的作用、工作原理、开启时间。     

某燃料电池公交车低温采暖试验研究

为了提高燃料电池汽车在低温环境下的采暖性能,对燃料电池汽车低温冷启动过程进行了梳理,分析了热泵采暖系统和PTC采暖系统的原理以及优缺点,并以一款燃料电池公交车为例,利用实车测试的方法分析了PTC采暖系统在燃料电池汽车中的应用。研究结果表明,PTC采暖是目前最适用于低温环境下的汽车采暖方式,燃料电池公交车由于车内空间较大,温度升高的速率较慢。热泵采暖系统具有更高的能量利用效率,燃料电池热管理方案对于改善续驶里程很重要,强化采暖系统与车内空间的换热提升车内升温速度。     

氢燃料电池发动机热管理系统的控制方案研究

针对目前氢燃料电池发动机系统在变载过程中存在的电堆温度波动较大、热管理子系统响应速度慢等问题,提出了基于电堆功率、电堆进出口冷却液温差、冷却液流量等多参数跟随的热管理控制方案.利用AMESim仿真软件对某款氢燃料电池发动机的热管理系统建立了一维仿真模型,并在典型工况下对不同控制方案进行仿真分析.结果 表明:水泵转速跟随...     

质子交换膜燃料电池低温停机研究综述

系统总结了质子交换膜燃料电池低温停机条件下的损伤机理以及除水方法。冷冻/解冻循环试验研究表明，湿润条件下的低温启停循环会导致气体扩散层的纤维断裂、粘结剂分离，微孔层的疏水涂层团聚和脱落，催化剂层的裂缝生长、界面分层以及活性面积下降，并造成电池性能下降以及寿命缩短。停机除水是有效的损伤缓解方法，其中基于高频阻抗的快速吹扫因其效率高、操作简单成为车用的主要方法，但高频阻抗弛豫限制了除水效率以及边界的确定，完善水含量的表征方法将是低温停机的主要研究方向。     

车用燃料电池发动机模型搭建及仿真研究

利用AMESim搭建质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机单电池和电堆瞬态仿真模型,同时利用某80 kW质子交换膜燃料电池电堆试验数据验证了该仿真模型的正确性,为燃料电池的仿真及预测分析提供了一种新的工具.通过此模型研究了燃料电池电堆的运行参数如气体压力、温度等对电堆性能的影响,同时也预测了阳极侧杂质气体含量对电堆性能的影响.     

AMESim仿真软件在燃料电池系统开发中的应用

利用AMESim软件建立了质子交换膜燃料电池发动机一维仿真模型,包括电堆、空气系统、氢气系统和冷却系统。从空压机选型、电堆运行条件匹配、冷启动和整车经济性四个方面介绍了AMESim仿真软件的应用。仿真结果表明,电堆运行条件对系统零部件选型尤其是空压机影响较大,适当降低进气计量比和进气压力可降低部件功率消耗,提升系统整体效率,PTC水加热器可以大幅缩短燃料电池发动机冷启动时间,减小系统怠速功率可提升整车经济性。应用AMESim软件进行仿真分析对于燃料电池发动机设计开发具体一定的指导意义。     

车用质子交换膜燃料电池水分布分析

对车用质子交换膜燃料电池进行水管理能够提高电池的性能,对于氢燃料电池车的推广具有重要意义。了解质子交换膜燃料电池中水浓度分布的规律是对电池进行水管理的基础,文章对电池工作温度及放电电压对水浓度分布的影响进行了探究,首先依托COMSOL Multiphysics搭建直流道质子交换膜燃料电池单体模型;其次分别改变单体电池模型的工作温度以及放电电压,对模型进行仿真计算,得到不同电池工作温度及放电电压下电池中水分布的规律。结果表明,随着温度的升高,质子交换膜表面的含水量下降;放电电压升高时,质子交换膜表面的水含量大幅下降。在实际应用中,应在适宜范围内尽量提高电池的工作温度,综合考虑电池性能问题,采用较低的工作电压,这有利于保持电池内部的水平衡。     

氢燃料电池电堆安全性测试项目研究

根据车用氢燃料电池电堆在整车行驶/停放时的实际工作环境和状态,考虑氢燃料电池汽车的各种事故情况,参考车用储能装置和燃气汽车的现行标准和试验项目,针对车用氢燃料电池电堆的特殊原理结构,对电堆的安全性测试项目进行分析研究。     

基于计算流体力学的大型质子交换膜燃料电池电堆歧管尺寸优化分析

为了提高大型质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆的配气均匀性，基于单电池模拟结果建立了由300片多孔介质堆栈组成的电堆模型，利用计算流体力学（CFD）技术研究了歧管宽度对大型电堆内压强降及反应物浓度的影响。结果表明：增大进气歧管宽度会使电堆内压强降和反应物浓度均匀性略微变差；相对于进气歧管，排气歧管尺寸对电堆性能影响更大；阳极侧，压强降和反应物浓度的均匀性与排气歧管宽度成正比。     

质子交换膜燃料电池汽车冷起动性能的研究

建立了一个质子交换膜燃料电池电堆的冷起动模型,对燃料电池汽车的冷起动性能进行仿真,旨在通过对电堆中不同位置、不同数量的电池进行外部加热,使电堆充分利用自身的热量,以减小冷起动过程中所需的外部加热功率。结果表明,该方法可使电堆中有更多的单电池在冷起动过程中恢复工作,冷起动的时间更短,从而明显有效地提高燃料电池电堆的冷起动性能。