Fabrication and Interfacial Structure of Ni-YSZ-LSM Porous Scaffold for Solid Oxide Fuel Cells

A novel process route using tape casting and stacking for fabricating porous scaffold of solid oxide fuel cells (SOFC) was demonstrated. The linear shrinkages of anode (Ni-YSZ, YSZ stands for 3% Y_2O_3(mole fraction) stabilized ZrO_2) and cathode (LSM-YSZ, LSM stands for La_(0.8)Sr_(0.2)Mn0_3) were optimized to be uniform with that of electrolyte during sintering, by controlling the content of pore former. The micromorphology and interface microstructure of the cross-section of the porous scaffold were observed by optical microscope and scanning electron microscope, respectively. The element distribution and phase composition were analyzed by energy dispersive spectrometer and X-ray diffraction, respectively. The results showed that the porous scaffold with regular pore shape and high specific surface area was obtained after sintering at 1 350℃. The fabricated porous scaffold had defect free interfacial structures due to the uniform shrinkage of anode, cathode and electrolyte layers. In addition, it was shown that diffusions of Zr, Ni and La caused a progressive boundary between YSZ, Ni-YSZ and LSM-YSZ layers. The interface between anode and electrolyte (Ni-YSZ/YSZ) was mainly composed of Ni, YSZ and a small amount of NiO, and the interface between cathode and electrolyte (LSM-YSZ/YSZ) was mainly composed of YSZ, LSM and a small amount of La_2Zr_2O_7.     

直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化

以新型阻醇材料Na2Ti3O7/Nafion复合膜为质子交换膜,利用热压法制备膜电极（MEA）,对直接甲醇单电池进行测试.考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个参数对直接甲醇燃料电池极化曲线性能的影响.实验结果表明,电池温度对电池性能的影响较为明显,提高电池温度有利于得到较好的电池性能.甲醇浓度对电池性能影响也比较明显,较低甲醇浓度有利于提高电池性能.甲醇流速和空气流速对电池性能的影响较小,阴极加湿温度对电池性能几乎没有影响.通过分析优化,该直接甲醇燃料电池的电池性能最佳工作条件是在80℃情况下,低电流密度工作区采用较低浓度甲醇溶液,高电流密度工作区采用高浓度甲醇溶液.     

PEM燃料电池阴极三维数学模型的建立与计算

建立了蛇形流场和点状流场的阴极三维数学模型，通过耦合求解质量守恒方程、动量守恒方程、Darcy方程和多组分气相扩散的Stefan—Maxwell方程，计算出两种不同流场阴极的催化层与扩散层交界面的O2和H2O浓度的分布、扩散层中间的气体速度分布．通过实验比较蛇形流场和点状流场的单电池性能．     

考虑燃料电池老化的多堆自适应功率分配方法

为延长多堆燃料电池系统（multi-stack fuel cell system,MFCS）使用寿命,保证运行过程中各电堆总体退化性能逐渐趋于一致,针对大功率质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）系统,提出了一种考虑电堆老化的MFCS自适应功率分配方法. 在MFCS运行过程中,由于燃料电池输出功率会随不同运行条件而动态变化,导致每个电堆老化程度通常不一致,因此提出量化指标电压退化程度（voltage degradation degree,VDD）来表征燃料电池在运行过程中电堆的老化程度;还采用燃料电池半经验模型来模拟老化对电堆性能的影响;最后,通过RT-LAB搭建硬件在环（hardware-in-the-loop,HIL）测试平台,与原有的功率分配方法做比较. 结果表明:该方法能协调各燃料电池出力,减缓电堆老化速率;相较于平均功率分配方法和链式功率分配方法在MFCS的氢耗量上分别降低了13.59%和8.04%.      

Direct electrochemical extraction of Ti5Si3 from Ti/Si-containing metal oxide compounds in molten CaCl2

Direct electrochemical extraction of Ti₅Si₃ from pressed cathode pellets comprising of powdered Ti/Sicontaining metal oxide compounds was investigated by using molten salt electro-deoxidation technology.Three groups of mixtures including TiO₂ mixed with SiO₂,Ti-bearing blast furnace slag（TBFS） mixed with TiO₂, and TBFS mixed with high-titanium slag（HTS） were prepared at the same stoichiometric ratio（Ti:Si=5:3） corresponding to the target composition of Ti₅Si₃,and used as the starting materials in this experiment,respectively. The pressed porous cylindrical pellet of the Ti/Si-containing compounds served as a cathode,and two different anode systems,i.e.,the inert solid oxide oxygen-ion-conducting membrane（SOM） based anode system and graphite-based anode system were used contrastively.The electrochemical experiment was carried out at 900-1050℃and 3.0-4.0 V in molten CaCl₂ electrolyte.The results show that the oxide components were electro-deoxidized effectively and Ti₅Si₃ could be directly extracted from these complex Ti/Si-containing metal oxide compounds.     

车用燃料电池阴极系统特性

为了提高车用燃料电池效率,利用物质守恒定律、理想气体方程以及二维插值法,建立了含有双螺杆压缩机的阴极系统模型,讨论了根据压缩机转速、压缩比计算其流量和功耗的方法,分析了环境因素对压缩机的影响以及阴极流体特性、过氧比特性.研究结果表明:在设定条件下,随过氧比变化,系统输出功率和效率的变化规律一致,最优过氧比为2.5,电能利用效率随过氧比增大呈单调下降趋势;工作温度升高能够提高系统输出功率,但会使系统电能利用效率有微弱降低,工作温度由60 ℃升到80 ℃时,系统输出功率增长5.03%,电能利用效率降低0.57%.      

基于动态规划的混合动力有轨电车能量管理方法

针对传统动态规划算法在燃料电池混合动力系统能量分配中存在的误差累积问题,以及为进一步提高燃料电池混合动力有轨电车的耐久性和燃料经济性,提出了一种基于改进动态规划算法的燃料电池混合动力有轨电车能量管理方法;改进动态规划算法在传统动态规划的基础上调整了状态转移方程,通过只对系统状态量进行离散从而避免计算过程中的插值计算导致的误差累积;同时将系统等效氢耗、动力电池充电状态（SOC）约束和燃料电池加、减载带来的耐久性问题作为优化目标构成加权惩罚函数,使系统在获得良好燃料经济性的同时兼顾耐久性;将所提管理方法与功率跟随和传统动态规划进行对比分析. 研究结果表明:所提方法相较于功率跟随方法,使末态SOC值降低了13.3%,燃料经济性提高了78%;相较于基于传统动态规划算法的能量管理方法,使燃料经济性提高了3.5%,且SOC变化范围和燃料电池变载情况均具有显著改善.      

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．     

含盐量对蒙脱石粘土电渗影响试验研究

为了研究电场作用下含盐量不同的蒙脱石粘土的渗透特性,利用自制的室内电渗试验装置,完成了4种含盐量的蒙脱土电渗试验,对试验过程的排水量、电流、电势及试验后含水率进行监测。结果表明:蒙脱土在电场作用下的渗透性显著增大,40V电压情况下电渗排水速率约为常规渗透速率的1000倍;受蒙脱石自身分子结构及电解质浓度的影响,电渗系数随含盐量的增加先增大后减小,在0.5%附近达到最大排水量;土体两端有效电势随含盐量增加而减小,电流反之增大,阴阳两极电势降增大,表明界面处的能耗随含盐量增加而增大;阴阳两极板短接后,电渗过程中电荷发生重分布,电渗结束后,土体内电势分布不均匀,中间区域电势最低,土体各处电流方向不一致。      

基于FFRLS的多堆燃料电池系统功率分配方法

为减小多堆燃料电池系统 （multi-stack fuel cell system, MFCS）中单体燃料电池运行期间输出功率的大范围变化，提高MFCS平均效率，以保证各燃料电池长期稳定运行，针对大功率质子交换膜燃料电池 （proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）系统，提出了一种基于遗忘因子递推最小二乘 （forgetting factor recursive least square，FFRLS）在线辨识地改进链式功率分配方法. 该方法利用FFRLS算法的实时在线辨识能力估算运行中的每个燃料电池最大效率范围 （maximum efficiency range，MER），并将其边界值作为约束参考值实时更新链式功率的限定区间；然后，依据负载需求功率变化和各燃料电池效率高低顺序分配各电堆出力；最后，在搭建的RT-LAB半实物平台上进行试验分析. 试验结果表明:与平均功率分配和传统链式功率分配方法相比，本文所提方法对MFCS效率分别提高了0.93%和1.95%.      

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。     

燃料电池小型车SOC动态调节的功率跟随控制策略

针对风冷型质子交换膜燃料电池与锂电池组成的小型车用混合动力系统,提出一种根据SOC(state of charge)动态调节功率跟随系数的能量管理方法,完成混合动力观光车样车研制.对构成样车的混合动力系统、氢气储存供给系统、信号控制系统3部分进行了详细阐述,并对不同工况下功率跟随算法调节系数对控制效果的影响进行了分析;...     

MCFC GENERATING SYSTEM BY MEANS OF COAL IN CHINA

IntroductionTo generate electricity from the fuel cell is bymeans of utilizing the electrochemistry reaction ofthe combustible gas ( H2 ,CH4etc.) in the fuel cellstack. The coal in solid state can't be directlyused. All the combined cycle generating systemcomposed of the coal as fuel and the fuel cell de-mands to realize the gasification of coal. This pa-per studied the possibility of utilization and devel-opment of the combined cycle generating systemthatis composed of the coal and the molt…     

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.      

Two Models of DMFC under Effects of Cathode Humidification Temperature and Anode Flow Rate

This paper introduced a novel self-adjustment of parameters of fuzzy neural networks. Then, the effects of cathode humidification temperature and anode flow rate on the performance of direct methanol fuel celI（DMFC） were described respectively. Two dynamic performance models of DMFC under the influences of cathode humidification temperature and anode flow rate were established separately based on fuzzy neural networks. The simulation results show the accuracy of the models established is satisfactory.     

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.     

燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化

在满足机车动力性能需求的条件下,运用参数匹配方法对燃料电池系统的重量、体积指标进行了优化. 首先,搭建了机车动力学模型,针对列车运行的加速启动、匀速爬坡、最大时速运行3种关键工况,分别得到3个需求功率峰值;其次,基于传统方法,以最大需求功率峰值为目标,分析了超级电容-动力电池配比;然后,在传统方法基础上,采用改进粒子群算法（improved particle swarm optimization,IPSO）,进行了基于系统重量和体积的多目标优化参数匹配计算,得到了最优解;最后,对传统方法和多目标优化方法进行了对比分析. 研究结果表明:两种方法均能满足列车动力需求;采用多目标优化方法,为同型燃料电池混合动力有轨电车配置2套150 kW燃料电池,124个超级电容（48 V,165 F）和337个动力电池（3.7 V,9 A?h）. 车辆经32.24 s加速可达时速70 km/h,最大爬坡能力为85.5‰,持续爬坡能力为732.5 m;相比较传统方法,重量和体积优化率分别达到83.075%和86.696%.      

胶粘剂和CFRP吸湿对复合材料粘接接头失效的影响

对胶粘剂和复合材料的影响进行解耦;采用常温环境分别对胶粘剂、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和CFRP/铝合金粘接接头进行不同时间周期的浸泡,研究了不同应力状态对粘接接头失效的影响;以准静态失效测试的失效强度和失效模式分析为主,结合傅里叶变换红外光谱仪分析、差示扫描量热法分析和扫描电子显微镜分析,分别研究胶粘剂和CFRP吸湿后的失效机理,揭示了吸湿对复合材料粘接接头失效的影响机理。分析结果表明:胶粘剂在吸湿30 d后发生了水解,失效强度下降约53.7%,失效应变约为原来的3.2倍;CFRP吸湿后表面粘附性降低,容易引起界面失效,但打磨之后能够得到改善,CFRP吸湿后纤维/基体界面力学性能降低,在正应力状态下更容易造成纤维撕裂;CFRP/铝合金粘接接头的失效强度在吸湿30 d后下降了约23%,失效断面中胶粘剂出现了韧性断裂和界面失效;通过对胶粘剂、CFRP和CFRP/铝合金粘接接头吸湿后的失效分析,发现剪应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效主要受胶粘剂吸湿后的性能下降影响,其次是界面失效的影响,而正应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效还受CFRP性能下降造成的纤维撕裂影响。      

燃料电池电动自行车动力系统设计与整车建模

为了解决燃料电池输出波动较大,不利于电动自行车平稳运行的问题,设计并制作了燃料电池电动自行车用双相交错并联结构的升压变换器.在SIMULINK平台上建立了燃料电池电动自行车整车模型并对其进行仿真,利用PhyX-220型燃料电池作为输入进行样车试验测试.研究结果表明:该模型能够较为精确地反映整车的动态过程,满足动态负载的功率需求;系统输出的电压纹波可控制在2%以内,效率可达94%,验证了燃料电池驱动电动自行车的可行性.      

燃料电池混合动力的功率跟随管理策略分析

为了提高燃料电池混合动力系统的经济性,基于燃料电池氢耗量和功率波动率,对功率跟随能量管理策略中参数和荷电状态（SOC）调节方式进行了分析,并定义了燃料电池的功率波动率;基于仿真软件ADVISOR中建立的燃料电池/超级电容混合动力系统模型,计算了不同的超级电容SOC限值和充电功率参数时的燃料氢耗量和波动率;设计了两种SOC调节方法,即Z曲线法和比例积分（PI）调节法,比较了不同SOC调节方法下的氢耗量和波动率. 研究结果表明:若SOC的下限增大,致使氢耗量和波动率增加,SOC下限为0.5时的氢耗量比0.25时增加7.10%,波动率增加3.85%;若SOC的上限增大,燃料电池波动率减小,0.95时的波动率比0.75时减小3.51%;充电功率参数在一定范围改变,能够减小燃料电池氢耗量和波动率;SOC调节方式中,当SOC初始值在 [0.28,0.52] 区间,PI调节法的波动率最优;当SOC初始值在 [0.75,0.90],Z曲线法的波动率最优.