阶梯型流道对质子交换膜燃料电池性能的影响

合理的流道设计能够有效改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能。针对PEMFC建立了一种新型的阶梯型流道模型,并根据提出的两种实验方案进行了数值模拟实验。通过与常规型流道进行对比分析,研究了阶梯型流道结构参数对PEMFC氧气和水质量分数分布、流道内的压降和电化学特性的影响。结果表明,与常规型流道结构相比,阶梯型流道结构可以有效改善电池内氧分布和水分布的均匀性,其最高功率密度最大可以提升13.58%,但在流道内会产生较大的压降。当流道进出口高度一定时,通过增加阶梯数量可以减小PEMFC阴极流道内的压降,最大可降低24.9%。     

PEMFC交指型流道及扩散层的气场模拟和优化

质子交换膜燃料电池的流道及扩散层对均匀化氧的分布起着非常重要的作用．模拟分析的结果表明增大流道深度有利于氧在扩散层表面的均匀化分布，扩散层和扩散亚层对氧浓度的均匀化分布取决于其对氧的横向扩散阻力和纵向扩散阻力的相对大小变化．     

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。     

质子交换膜燃料电池的温度场模拟

根据流体动力学和传热学理论，建立了一个三维的单流遭质子交换膜燃料电池模型，并应用有限控制体法对模型进行求解．总体而言，单流道燃料电池温差很小，阳极催化层温差大致在1K左右，而阴极催化层温差小于3K，最高温度发生在阴极催化层的反应区．将模拟的结果与有关的试验结果做了比较，结论相一致．     

质子交换膜燃料电池水管理研究

水管理是质子交换膜燃料电池（PEMFC）可靠运行的关键，既维持适当的膜的水合程度，又不致水淹电极，是水管理的理想状况．燃料电池作为一个多相、多尺度、多物理场、动态复杂系统，其中的流动、传热、传质、相变、多相流和电化学过程相互影响、相互联系、相互制约．就PEMFC内流体流动，物质的传输，热量生成和传递，水的相变及两相流，电化学反应等方面综述了目前的研究进展，权衡利弊，以期达到最佳的燃料电池电化学性能．     

应用于质子交换膜燃料电池的数值优化方法

将具有全局搜索能力的遗传算法应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）扩散电极的性能优化,通过对PEMFC单体建立二维稳态数值计算模型,在ISIGHT-FD软件平台上利用径向基函数（RBF）神经网络拟和模型,在相应的设计空间内生成RBF拟和曲面,调用多岛遗传算法（MIGA）对RBF拟和进行遗传搜索,得到了阴极扩散层厚度、孔隙率和渗透率的最优值,通过优化前后的氧气浓度和输出性能比较,表明这些参数可改善气体扩散层的传质性能.     

基于水传递的质子交换膜燃料电池动态响应过程模拟

项目摘要：质子交换膜燃料电池很多情况下应用于变负载工况．尤其有液态水存在时,气体传质速度与与电子传递速度不一致,导致电池结构和性能受损、寿命降低。本课题基于质子交换膜燃料电池在物理尺度上的划分（膜或扩散层、电极、单电池）,采用多尺度建模方法研究两相水传递情况下的动态响应特性．采用格子玻尔兹曼方法探讨负载变化时水相变机制,     

基于数据驱动的质子交换膜燃料电池寿命预测

质子交换膜燃料电池发电技术是极具应用潜力和工业前景的技术,对质子交换膜燃料电池进行寿命预测是其走向商业推广应用的重要一环.从质子交换膜燃料电池的退化特性及输出特性出发,分析系统及环境因素是如何影响其退化的;阐述了基于数据驱动的寿命预测方法的研究现状,着重对基于神经网络算法的寿命预测进行了综述;分析了寿命预测算法存在的不确定性来源;最后,对质子交换膜燃料电池的寿命预测研究进行了展望,阐明当前存在的经验数据有限、缺乏对瞬态过程的建模、难以实现在线预测等问题,尤其机车用大功率质子交换膜燃料电池的寿命预测仍存在诸多难点.     

质子交换膜燃料电池综合动态模型分析

为深入研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行特性,在既有PEMFC实验模型和机理模型相结合的基础上,利用MATLAB/SIMULINK工具建立了包括电压动态模型、氢氧气流供应动态模型和热力学动态模型的PEMFC综合动态模型;分析了不同负载和温度运行条件下PEMFC综合模型的动态特性;搭建了基于Ballard公司1.2 kW NEXA系统的测试平台,并利用测试平台对仿真模型进行了实验验证.研究结果表明:该模型能够较好地反映PEMFC的动态特性;实验与仿真误差:堆电压为2.06%、功率为0.36%,验证了所建模型的正确性.      

质子交换膜燃料电池的效率分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的效率受燃料电池设计和操作条件等多种因素的影响.文中建立了能够计算PEMFC效率的单电池稳态模型,模型预测的极化曲线与实验结果吻合良好.利用该模型研究了电池工作温度和工作压力对电池效率的影响.计算结果表明,在电池工作温度范围内,提高电池工作温度,有利于提高电池效率,高电流密度电池效率增幅要大;提高阴极和阳极工作压力均有利于电池效率提高,但阴极的工作压力增加对提高电池效率作用明显.     

基于改进型指数趋近律的PEM FC供气控制器设计

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆氧气过低问题,给出一种滑模变结构控制器设计方案,它能够有效解决PEMFC因氧气不足造成控制性能下降的问题.采用改进型趋近律代替传统滑模控制中指数趋近律,能够有效抑制控制器因切换产生的高频抖动,从而提高系统的控制性能.最后,通过仿真验证本文所给出的改进型滑模控制器较传统滑模控制器,具有稳定性更高、鲁棒性更强的特点.     

PEMFC中水的饱和蒸汽压力与其中多孔介质特征关系研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理是电池能否良好运行的关键.根据催化层微观结构模型,分析了其中电化学反应生成水的传递方式;又据催化层、扩散亚层和扩散层多孔介质材料的亲水性和憎水性,计算了多孔材料中孔径对饱和蒸汽压力的影响.认为电化学反应生成的水可能是气态也可能是液态;材料亲、憎水性和孔径对饱和蒸汽压力有巨大的影响.为了在PEMFC中更精确地构造反应物和生成物的流通通道,微观上研究水的相变和二相流是必须的,因此应构造新的相变和二相流模型.     

质子交换膜燃料电池动态特性建模及其控制

现有质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型难以用于控制系统的设计,为此,提出利用Matlab-Simulink仿真工具建立PEMFC系统动态模型,并在此基础上设计了模糊逻辑控制器(FLC).采用模糊控制和比例积分微分(PID)控制相结合的双模控制,实现了对PEMFC系统输出电压的控制.仿真结果表明,该模型能较好地反映PEMFC系统的动态特性,有助于改进PEMFC的设计,进一步提高其性能;双模控制能有效地抑制扰动,改善PEMFC系统的输出特性,保证系统的稳定运行,证明所建立的控制模型可用于实时控制系统的设计.     

大功率PEMFC空气系统电流跟随分段PID控制方法研究

为优化大功率燃料电池系统空压机控制效果,基于离心式空压机系统模型,提出了大功率质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)空气供给系统的电流跟随分段PID控制方法.该方法以离心式空压机响应特性为基础,以实际工作电流为跟随目标,在动态响应与稳态控制阶段采用不同的PID参数进行闭环控制,并进行了模拟仿真研究.最后,在实验室已有的150 kW燃料电池系统基础上的实验验证,模拟仿真与实验验证结果表明,仿真模型计算误差控制在5%以内,准确的反映了离心式空压机与空气供给系统的特性,所提出的大功率PEMFC空气供给系统的电流跟随分段PID控制方法不仅能够满足PEMFC电堆稳态控制要求,同时将动态响应时间缩短至3 s以内,控制效果良好.      

PEMFC并网发电系统主动电流控制方法

负载功率变化时,由于传统PQ控制方法未充分考虑质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的实际运行特性,不能有效响应负载需求.为了使PEMFC发电系统在负载变化时准确、快速响应,根据PEMFC发电系统的运行特性和PEMFC并网PQ控制原理,建立了包含150 k W PEMFC电堆、DC/DC变换器、并网逆变器、滤波器等的PEMFC并网系统模型,并在此基础上,提出了基于PQ控制的主动电流控制方法.MATLAB仿真测试结果表明,该方法在额定和非额定输出功率条件下,均能够根据PEMFC输出特性使并网系统有效地响应负载变化,实现从电源到并网的大闭环控制,保证并网系统的稳定、可靠运行,且网侧电流谐波分别为1.76%和2.89%,满足并网要求.     

质子交换膜燃料电池电极制备及评价

质子交换膜燃料电池采用固体聚合物膜为电角质简化了电池的水和电解质管理;薄的电解质膜使其可以获得非常高的比能量密度;高度可靠性和环境友好使其在用于航天、陆地和水下设备电源等方面具有广泛的应用前景。研究了质子交换膜燃料电池的电催化剂和电极制备并同国外的电极进行了比较。结果表明：自制电极电池的性能接近国外同类产品。     

微观磁场促进质子交换膜燃料电池内氧传递和还原反应研究

项目摘要：质子交换膜燃料电池在进入商业应用之前必须解决成本、寿命、可靠性和氢源等问题．其中提高放电性能是解决其它问题的前提，而阴极空气传递速度慢和氧气还原反应速度相对于阳极氢气氧化反应较低又是控制放电性能的关键．本项目采用碳包敷硬磁纳米材料为载体制备负载铂催化剂，把微磁场引入质子交换膜燃料电池阴极；     

蛇形流场PEM燃料电池膜中水传输的三维模拟

膜中水传输对质子交换膜燃料电池的性能具有极其重要的影响.文中建立了一个蛇形流场单电池的三维模型,研究了低电流密度下燃料电池运行温度、膜厚、过量系数、相对湿度、操作压力和电流密度等运行条件对膜中水含量的影响.计算结果表明:随着温度的升高,膜中的水含量先升高后降低;减小质子交换膜膜厚和过量系数.增大相对湿度、操作压力和电流密度.膜中的水含量增加.电导率就会增加,从而促进电池性能提高.     

膨胀石墨作为质子交换膜燃料电池双极板材料研究

以膨胀石墨、T90密封剂为原料,采用真空加压注密和高温焙烧方法,制备得到膨胀石墨复合材料,并应用于质子交换膜燃料电池双极板.此方法有利于低成本化的模压生产,推动膨胀石墨作为质子交换膜燃料电池双极板材料的商业化发展.结果表明,在真空负压8 h后注入密封剂,加压0.7 MPa下维持12 h.然后先在120℃时焙烧4 h,在...     

质子交换膜燃料电池水淹和膜干故障诊断研究综述

质子交换膜燃料电池水淹和膜干是其在运行过程中最常见的故障. 首先，阐述了质子交换膜燃料电池中水的产生和传输机理，概括了水淹和膜干故障的影响因素，列举并分析了基于电压、压力降和阻抗的水淹和膜干诊断指标及各自的优缺点，并从内部结构和电荷传输方面介绍了水淹和膜干对质子交换膜燃料电池的危害；其次，讨论了水淹和膜干故障基于模型、基于实验和基于数据驱动的3种诊断方法及其适用范围，另外分析了缓解水淹和膜干故障的常用措施；最后，对水淹和膜干故障进行了总结和展望，并指出基于数据驱动的在线诊断方法、适于故障诊断的模型建立、大尺度电堆及多堆间水淹和膜干故障的诊断及高效精准的故障诊断指标的探索有待深入研究.