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基于内阻检测的PEMFC温湿度特性及控制规则研究

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基于内阻检测的PEMFC温湿度特性及控制规则研究

作者：陶泽炎中国计量大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于环境友好等优点,被称为“最有前景的车载能量转化装置”,成为新研究热点。PEMFC研究涉及到电化学、材料学、自动控制等多学科知识,PEMFC电堆控制系统是非线性强耦合系统,堆内温湿度环境决定了电堆的输出... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于环境友好等优点,被称为“最有前景的车载能量转化装置”,成为新研究热点。PEMFC研究涉及到电化学、材料学、自动控制等多学科知识,PEMFC电堆控制系统是非线性强耦合系统,堆内温湿度环境决定了电堆的输出特性。堆内温湿度因电堆密封性难以直接测量,外部参数并不能表征电堆内部实际工况。选取合适的电堆特性参数作为控制指标是保证电堆控制效果、对温湿度操作条件解耦的关键,而电堆控制变量调节是实现温湿度解耦控制的重要一环。温湿度变化是电堆内阻变化的根本原因,内阻作为电堆表征参数是导致外部输出性能的根本原因。目前内阻测试方法众多,但大多不能满足现有在线测量及精确度要求,且部分方法对电堆损伤极大。根据同期课题研究成果,基于改进型EIS法可准确测量得到堆内各内阻参数,通过内阻与温湿度操作条件间特性关系,建立机理模型。采取传统解耦方法虽能实现部分控制变量间的解耦,但对涉及众多控制变量及复杂变化特性的温湿度解耦显得过于繁琐,并不适用。本文针对传统方法研究电堆操作条件耦合性存在的不足,以水冷型电堆作为研究对象,以相关度系数为新切入点、以检测内阻代替检测外部参数,根据电堆内阻、温湿度操作条件及控制变量机理特性,通过研究变量间相关度参数、分析电堆控制变量与操作条件间的机理关系及实验数据,研究了电堆操作条件之间、控制变量之间及其之间复杂耦合关系,确定了电堆在不同输出特性阶段的主辅控变量,建立了电堆内阻模型及水热管理机理模型,确定了不同输出阶段下最优温湿度操作条件、温湿度调节基本原则;通过实验验证了模型的可行性,结果表明该模型能够实现电堆温湿度解耦,模型是正确的、可行的;同时认识到相关度研究过程与模糊控制器设计过程的相似性,提出了一种基于相关度的改进隶属度函数的模糊控制方法。

关键词： PEMFC 温湿度解耦相关度系数水热管理模糊控制

质子交换膜燃料电池三维流场及水热分布特性研究

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质子交换膜燃料电池三维流场及水热分布特性研究

作者：李云鹏华南理工大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。其具有很多优点：可低温快速启动，对燃料适应性强，其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高;工作可靠性高等。有效的热管理和水管理对于质子交换膜... 详细信息

质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。其具有很多优点：可低温快速启动，对燃料适应性强，其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高;工作可靠性高等。有效的热管理和水管理对于质子交换膜来说是非常重要的，没有有效的热管理和水管理，会使电池温度过高，水淹等影响电池性能，所以有效的水热管理是保证电池高性能和高效率的关键。本文首先综述了质子交换膜燃料电池的发展历史和研究进展情况，介绍了常用的流场类型，简单介绍了一维、二维以及三维模拟方法和现状。描述了PEMFC的基本传输方程和电化学方程，以及物性参数模型和电极化过程。使用计算机模拟的方法来分析质子交换膜燃料电池的水热管理，以计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行模拟计算。建立了50mm×11mm×3.28mm交指型质子交换膜燃料电池单电池的模型并对其进行分析。对交指型质子交换膜燃料电池单电池进行了模拟计算，分析了在不同加湿条件下质子交换膜燃料电池的输出特性，沿流道方向扩散层温度分布，阴、阳极扩散层以及质子交换膜中的水含量分布，阴阳极加湿对质子交换膜中温差的影响，扩散层导热系数对电池温度分布的影响以及气体过量系数对燃料电池性能的影响。结果表明，在加湿100%、扩散层导热系数为0.6W/（mk）、氢气过量系数为1.5，氧气过量系数为2的条件下电池的性能相对较好。接着基于上述单电池模型，结合多孔介质特性，在多孔介质条件下，研究分析不同孔隙率对于燃料电池性能、膜中水含量、扩散层压力以及催化层表明氧气浓度的影响。结果表明随着孔隙率的增大，相饱和度、液态水流量以及催化层表面氧气浓度增大，而质子交换膜中扩散层压力和膜中水含量逐渐降低。最后研究燃料电池的散热冷却问题，在单电池的模型基础上，建立50mm×11mm×4.48mm的带有冷却通道的质子交换膜燃料电池，探讨冷却流道内温度的分布;研究分析了冷却水流速对冷却流道内温度分布、冷却流道出口温度分布以及进出口压降的影响。

关键词： PEMFC 水热管理加湿气体过量系数孔隙率冷却水流速

质子交换膜燃料电池电堆一致性及动态参数研究

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质子交换膜燃料电池电堆一致性及动态参数研究

作者：高建华北京建筑大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(PEMFC,proton exchange membrane fuel cell),作为一种新型清洁能源,突破了卡诺循环限制,将化学能直接转化成电能,具有工作温度低、功率密度高和启动快速等优点,备受世人关注,同时燃料电池作为动力源使用,必须要满... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC,proton exchange membrane fuel cell),作为一种新型清洁能源,突破了卡诺循环限制,将化学能直接转化成电能,具有工作温度低、功率密度高和启动快速等优点,备受世人关注,同时燃料电池作为动力源使用,必须要满足其电堆一致性以及多工况动态参数符合条件使用。本文旨在对PEMFC电堆一致性及多工况参数进行研究,针对燃料电池实际工作过程中出现的各种参数变化现象,提出了基于参数动态变化的动态参数模型(DP Model,dynamic parameter model)。DP模型考虑了在燃料电池工作过程中出现的水含量,温度以及相对湿度变化,通过自定义函数将参数公式化,用于燃料电池仿真计算。基于等效电路,对燃料电池系统进行等效建模;考虑到燃料电池参数影响,利用Fluent和Gambit进行PEMFC三维两相流模型建立,进行非正则网格划分、材料设置并进行仿真计算,设置收敛条件,通过独立变量联立的耦合求解得出PEMFC仿真数据和可视化云图,云图包括:膜内水含量、流道内气体浓度分布和相对湿度分布等。搭建燃料电池测试平台,采用伏安循环法和田口交叉试验法对已有有效面积为275cm PEMFC单电池和10片单电池组成的电堆进行测试,测试系统采用电脑PC端设置参数并通过负反馈调节稳定参数,不同参数试验情况分别为:不同的进气温度(43℃、50℃、55℃)、不同工作温度(60℃、65℃、70℃)、对称和非对称加湿(000%RH),试验过程中记录电堆整体和单片电池性能,并采集试验数据与仿真结果进行对比分析。结果表明:1)电堆一致性在电压方面体现为,从电堆气体进口开始,单片电池电压逐渐递减,单电池FC10电压衰减最快,在相同的试验条件下其性能最差。电堆受温度和相对湿度影响较大,湿度增加电压降减小;温度升高导致电压降增大,但是单片一致性改善。2)随着进气温度和相对湿度的增加,温度的动态范围和稳定时间逐渐减小。当进口相对湿度较高时,初始反应温度较低。在整体变化趋势上,当进气温度低于工作温度时,燃料电池性能随着进气温度逐渐增加,但是由于湿度较大,水淹趋势也随之增加。3)通过对不同的进气湿度工况分析得到,阴极相对湿度和阳极相对湿度对燃料电池性能的影响不同,阴极相对湿度的增加对燃料电池性能的影响比阳极相对湿度对燃料电池性能的影响更明显。

关键词：质子交换膜燃料电池动态参数一致性水热管理性能衰减

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质子交换膜燃料电池流场板研究进展

化工学报 2020年第5期71卷 1943-1963页

作者：赵强郭航叶芳马重芳北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室北京100124

流场板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,其结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。综述了近十余年来质子交换膜燃料电池流场板的设计与研究进展。研究者们基于平行流场、蛇形流场、交指流场、点状流场,从... 详细信息

流场板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,其结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。综述了近十余年来质子交换膜燃料电池流场板的设计与研究进展。研究者们基于平行流场、蛇形流场、交指流场、点状流场,从流道尺寸、流道截面、进口分配段、流道布置等方面开展结构设计和优化,不同程度提高了燃料电池水热管理以及电性能。此外,各种形式的组合流场可综合不同流场优点,多级分形仿生流场优化了反应物、压力与电流密度分布,三维精细化流场通过改善供气方式降低了浓差极化。

关键词：燃料电池流场板流道水热管理传热传质

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多堆燃料电池系统分级冷起动策略研究

质量与标准化 2023年第5期 50-53页

作者：石霖梅宇航裴冯来上海机动车检测认证技术研究中心有限公司上海机动车检测认证技术研究中心有限公司江苏分公司

本文针对燃料电池系统低温冷起动现行国家标准中的测试方法与要求,结合多堆燃料电池系统新型结构,研究其冷起动控制策略,并加以有效性验证。

关键词：多堆燃料电池系统水热管理低温冷起动

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高温质子交换膜燃料电池实验系统研制

中国科技成果 2014年第8期15卷 13-13页

作者：李晓锦中国科学院大连化学物理研究所

目前广泛使用的以Nafion？为代表的全氟型磺酸膜质子交换膜燃料电池，通常操作温度低于80℃，使得燃料电池在实际应用时面临CO耐受性差、系统的水热管理困难等问题。因此，将PEMFC运行温度提高到100℃以上，通常称之为高温质子交换膜燃... 详细信息

目前广泛使用的以Nafion？为代表的全氟型磺酸膜质子交换膜燃料电池，通常操作温度低于80℃，使得燃料电池在实际应用时面临CO耐受性差、系统的水热管理困难等问题。因此，将PEMFC运行温度提高到100℃以上，通常称之为高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC），是PEMFC技术的一个重要的发展方向。

关键词：质子交换膜燃料电池实验系统高温 PEMFC Nafion 操作温度水热管理运行温度