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氢燃料电池水热管理系统仿真与试验研究

氢燃料电池水热管理系统仿真与试验研究

作者：杨罡太原理工大学

学位级别：硕士

气候变化和能源危机是人类面临的两大问题,化石燃料的燃烧会产生大量的污染物和温室气体,会造成环境污染。新能源汽车作为机械、电子、通信、计算机、能源动力、交通运输等领域的融合体在减少交通运输污染气体的排放方面展示出了巨大的... 详细信息

气候变化和能源危机是人类面临的两大问题,化石燃料的燃烧会产生大量的污染物和温室气体,会造成环境污染。新能源汽车作为机械、电子、通信、计算机、能源动力、交通运输等领域的融合体在减少交通运输污染气体的排放方面展示出了巨大的潜力。氢燃料电池汽车是将车载氢燃料电池装置产生的电力作为动力的新能源汽车,其能源效率高达40-60%,而且与传统汽车和纯电动汽车相比,氢燃料电池汽车动力源一般采用质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的分布式电源,具有效率高、寿命长、工作温度范围广,生成物为清洁水和少量的二氧化碳,具有近似零排放的优点,使其在氢燃料电池汽车动力源应用上具有广泛的应用前景。氢燃料电池系统具有非线性、强耦合和时变延迟等特点,具有复杂的电化学和热力学反应,涉及多尺度传热过程。氢燃料电池的真正大规模商业化应用仍然是一个挑战,其中水热管理就是关键挑战影响因素之一。水热管理会影响氢燃料电池中反应气体的分布,而气体分布最终决定了电流密度分布。若电流密度分布不均,会导致氢燃料电池内部温度和水含量分布不均匀,影响电化学活性,较高的温度会导致氢燃料电池发生膜干,从而增加离子电阻、欧姆损失和材料降解问题。过高的水含量可能导致其流道内的水冷凝成液态,尤其是在阴极侧,发生“水淹”现象,严重会引起反极,影响氢燃料电池的性能和使用寿命。氢燃料电池处于“气-水-热-电”的多物理场工作环境,其内的水热分布是十分复杂的。本研究通过建立氢燃料电池数值模型和三维模型来分析其水热分布特性,通过仿真及试验验证,氢燃料电池温度对其输出性能有很大的影响,其中活化极化电压和欧姆极化电压占主要影响因素。氢燃料单体电池阴极水含量随着电流密度的增加而增加,而且沿着流道方向,流道末端水含量最高。根据仿真结果发现,氢燃料电池双极板对其热管理和水管理有很大的影响,研究氢燃料电池双极板很有意义。合理的双极板结构和材料可以有效避免氢燃料电池在高电流密度下“水淹”和膜干现象的发生。根据对氢燃料电池水热管理性能的研究,发现疏水性对电池水热管理性能有一定的影响。为了提高316L不锈钢金属双极板的耐腐蚀性和疏水性,采用纳秒激光刻蚀和低表面能材料硬脂酸修饰制备超疏水金属双极板。超疏水316L不锈钢金属双极板可以满足美国能源部现行对双极板性能的要求,同时还具有良好的耐腐蚀性、防结冰、防结霜性能,可改善氢燃料电池低温启动性能。通过对氢燃料电池进行不同工况的模拟,采用超疏水316L不锈钢作为氢燃料电池双极板,可以有效提高氢燃料电池的水热管理性能。我们的研究结果有助于金属双极板的表面增强,同时提供了一种简单、低成本和稳健的双极板制备方法,这对于工业应用至关重要。

关键词：氢燃料电池水热管理数值仿真双极板超疏水表面

聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究

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节能 2023年第8期42卷 22-25页

作者：陈承戴王长宏苏舜辉广东工业大学材料与能源学院广东广州510006 广州西奥多科技有限公司广东广州510555

聚合物电解质膜燃料电池是绿色环保的能源利用技术,电池内部的水热平衡对电池性能至关重要。通过雾化冷却实验、非持续雾化实验、雾化激活电池实验,探究雾化对聚合物电解质膜燃料电池性能和寿命的影响。结果表明:与不使用雾化相比,100 m... 详细信息

聚合物电解质膜燃料电池是绿色环保的能源利用技术,电池内部的水热平衡对电池性能至关重要。通过雾化冷却实验、非持续雾化实验、雾化激活电池实验,探究雾化对聚合物电解质膜燃料电池性能和寿命的影响。结果表明:与不使用雾化相比,100 mL/h的雾化量可以将电池内部平均温度降低10℃;非持性雾化后,在全工作电压范围内的电池性能得到明显提升。与未使用雾化相比,在6.0 V条件下雾化20 min的电池的电流输出增加20%。雾化技术还可以重新激活搁置的电池;雾化协同送风使电池性能几乎重新恢复到出厂前的状态,同时促进了电池高电流输出时的稳定性。电池极限输出功率比出厂前高出约24.9%。

关键词：聚合物电解质膜燃料电池雾化新能源极化特性水热管理

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船舶应用燃料电池系统的设计与试验

化工进展 2024年第5期43卷 2554-2567页

作者：张宝王鹏安勇攀吕平蒋建良新源动力股份有限公司辽宁大连116085

受到航海运输领域的新政策和严格的排放法规限制,船舶应用燃料电池受到越来越多的关注与重视,尤其是具有高效率、低噪声、模块化的质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统。本文介绍了由新源动力股份有限公司开发的船用PEMFC系统,以隔离防护和... 详细信息

受到航海运输领域的新政策和严格的排放法规限制,船舶应用燃料电池受到越来越多的关注与重视,尤其是具有高效率、低噪声、模块化的质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统。本文介绍了由新源动力股份有限公司开发的船用PEMFC系统,以隔离防护和泄露探测为基准要求,该PEMFC系统配置了多个安全参数检测装置,对于BOP部件选型采用了针对性的方案,通过水热管理优化及标定,系统额定效率和峰值效率分别为45%和62%。为了证明PEMFC系统满足功能完善及安全可靠的要求,采用设计试验的方法研究并制定了性能评价试验,分别是可靠性试验、低温启动试验及双机并联试验。试验结果表明:经历了200h动态工况测试后系统在中间功率下性能无变化,在额定功率下电堆性能衰减率为1.2%;基于良好的水热管理及多模式控制手段,实现了吹扫时间和单体电压偏差大幅降低,当环境温度为-30℃时顺利实现低温启动,高于船用规范中的最苛刻要求;在高功率需求及冗余设计目标下,双机并联使得系统总成动力输出更平稳、可靠,而且通过交替启动策略提高了系统耐久性,不同的工作模式为系统维护及故障处理提供了基础条件;PEMFC系统具备搭载实船应用的能力。本文为船用PEMFC系统的设计和开发提供了参考依据。

关键词：船用燃料电池设计质子交换膜燃料电池系统水热管理优化可靠性

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具有泡沫金属流场的燃料电池研究进展

新能源进展 2024年第1期12卷 24-34页

作者：艾贤魏魏琳郭剑车帅蒋方明沈阳化工大学机械与动力工程学院沈阳110142 中国科学院广州能源研究所广州510640 中国科学院可再生能源重点实验室广州510640

泡沫金属是一种具有高孔隙率、高电导率、良好传热性和重量较轻等优点的新型多功能材料,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中嵌入泡沫金属作为流场的应用受到越来越多的关注。重点综述PEMFC流场的研究进展,探讨泡沫金属结构参数、流场设计和... 详细信息

泡沫金属是一种具有高孔隙率、高电导率、良好传热性和重量较轻等优点的新型多功能材料,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中嵌入泡沫金属作为流场的应用受到越来越多的关注。重点综述PEMFC流场的研究进展,探讨泡沫金属结构参数、流场设计和环境因素等对功率密度、气体分布、压降和水热管理等性能的影响。进一步讨论泡沫金属流场在PEMFC应用中所面临的腐蚀和水淹问题,以及具备耐腐蚀涂层泡沫金属的研究进展,为PEMFC泡沫金属流场的发展和优化提供有益的启示,以期推进泡沫金属在PEMFC中的应用。

关键词：泡沫金属质子交换膜燃料电池流场设计腐蚀水热管理

各向异性膨胀石墨双极板对燃料电池性能的影响

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汽车安全与节能学报 2024年第4期15卷 526-535页

作者：丁玉杰甘全全邵扬斌徐梁飞李建秋欧阳明高广州大学土木工程学院广州510006 清华大学车辆与运载学院智能绿色车辆与交通全国重点实验室(原汽车安全与节能国家重点实验室)北京100084 上海神力科技有限公司上海201401

该文分析了膨胀石墨双极板(EGBPs)各向异性结构对燃料电池水热管理与输出性能的影响。建立了三维两相非等温数值模型,对比了4种典型复合材料结构下温度、电流密度、水含量等参数的分布特征,揭示了双极板传热特性与输出性能的耦合效应。... 详细信息

该文分析了膨胀石墨双极板(EGBPs)各向异性结构对燃料电池水热管理与输出性能的影响。建立了三维两相非等温数值模型,对比了4种典型复合材料结构下温度、电流密度、水含量等参数的分布特征,揭示了双极板传热特性与输出性能的耦合效应。结果表明:沿质子传递方向热导率(k_z)对燃料电池性能具有显著影响,在2.2 A cm^(-2)电流密度下,将k_z从常规结构的5 W·m^(-1)·K^(-1)提升至280 W·m^(-1)·K^(-1),可以使输出性能提高22 m V;沿流道气体流动方向的热导率(k_y)是影响散热能力的关键因素,将k_y与k_z提高至280 W·m^(-1)·K^(-1),或者实现各向同性结构(k_x=k_y=k_z=20 W·m^(-1)·K^(-1)),均能够使膜电极组件(MEA)核心区域的温度降低2℃左右。因此,提高k_y与k_z并实现各向同性结构是膨胀石墨双极板技术的未来发展目标之一。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC) 膨胀石墨双极板(EGBPs) 各向异性导热水热管理散热能力

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某型号冷却液颗粒过滤器的设计优化

内燃机与配件 2024年第4期 60-62页

作者：王玉文平原滤清器有限公司河南新乡453000

冷却液颗粒过滤器是燃料电池发动机水热管理系统的重要零部件,位于冷却系统的主管路上,主要功能是滤除水热管理系统中产生的杂质颗粒,保护电堆内部冷却液流道畅通。本文根据某型号产品的市场反馈,结合该产品的应用/安装场景,对该产品的... 详细信息

冷却液颗粒过滤器是燃料电池发动机水热管理系统的重要零部件,位于冷却系统的主管路上,主要功能是滤除水热管理系统中产生的杂质颗粒,保护电堆内部冷却液流道畅通。本文根据某型号产品的市场反馈,结合该产品的应用/安装场景,对该产品的结构进行了优化设计,进行了试验验证,并优化了该同类产品的验证条件,为后续产品的开发提供了一定的设计依据。

关键词：颗粒过滤水热管理应用场景优化设计

阴极过量系数与流场布置对风冷燃料电池性能影响的数值模拟

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化工学报 2023年第10期74卷 4267-4276页

作者：彭明夏强峰蒋理想陈黎陶文铨西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室陕西西安710049 嘉兴市恒光电力建设有限责任公司浙江嘉兴314000

风冷燃料电池性能较差仍然是限制其商业化应用的关键问题。采用数值模拟研究了阴极氧气过量系数以及氢/空布置方式对风冷燃料单电池性能的影响。结果表明,阴极过量系数过低时,风冷燃料电池无法满足散热需求,提高过量系数有利于风冷燃料... 详细信息

风冷燃料电池性能较差仍然是限制其商业化应用的关键问题。采用数值模拟研究了阴极氧气过量系数以及氢/空布置方式对风冷燃料单电池性能的影响。结果表明,阴极过量系数过低时,风冷燃料电池无法满足散热需求,提高过量系数有利于风冷燃料电池热管理,提升膜电极中膜态水含量和电池性能,为了保证风冷燃料电池运行安全,需尽量维持风冷燃料电池运行在中高过量系数。与氢/空顺流布置相比,氢/空逆流布置策略受阳极入口干氢气影响膜电极呈现局部脱水状态,导致性能略微降低。

关键词：燃料电池数值模拟过量系数流场布置水热管理

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空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

化工学报 2022年第7期73卷 3222-3231页

作者：魏琳郭剑廖梓豪 Ahmed Mohmed Dafalla 蒋方明中国科学院广州能源研究所先进能源系统研究室广东广州510640 中国科学院可再生能源重点实验室广东广州510640 中国科学院大学北京100049

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特... 详细信息

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明:小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。

关键词：燃料电池传热传质水热管理数值分析

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质子交换膜燃料电池的三维流场技术研究进展

机械工程学报 2021年第8期57卷 2-12页

作者：周伟朱鑫宁连云崧游昌堂厦门大学机电工程系厦门361005

流场板是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,其流场结构直接影响着反应气体的传输分配以及燃料电池的排水与散热性能。常规流场往往存在水分布不均和局部热点的现象,容易导致燃料电池输出性能退化,甚至造成系统崩溃。三维流场具有优异... 详细信息

流场板是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,其流场结构直接影响着反应气体的传输分配以及燃料电池的排水与散热性能。常规流场往往存在水分布不均和局部热点的现象,容易导致燃料电池输出性能退化,甚至造成系统崩溃。三维流场具有优异的传质传热特性,能有效提高质子交换膜燃料电池性能,已成为当前研究热点。根据流场结构形式的不同,三维流场可分为复杂三维流场、销形三维流场、泡沫三维流场、集成三维流场、波浪三维流场和仿生三维流场等。通过介绍质子交换膜燃料电池的三维流场工作原理,重点分析了不同三维流场结构在水热管理方面的优势,并进一步讨论了增强水热管理的技术措施;总结概述了三维流场结构的常用加工制造技术,详细分析了加工制造技术的优缺点;最后归纳分析了三维流场在实际应用中面临的挑战及未来的发展趋势。

关键词：质子交换膜燃料电池三维流场水热管理