不同工况下PEM燃料电池性能研究
PEM燃料电池动态特性的建模与仿真研究的开题报告
PEM燃料电池动态特性的建模与仿真研究的开题报告一、课题背景及研究意义随着能源需求的不断增加和环境污染的日益严重，寻求一种新型、环保、高效的能源替代方案已成为全球研究的热点。
燃料电池(Fuel cell, FC)由于其高效、环保、静音等特点，被认为是未来能源替代方案之一。
其中，聚合物电解质膜燃料电池(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)因其高效、轻量、低温等优点，成为目前最具应用潜力的燃料电池之一。
然而，由于PEMFC的复杂机理和动态特性，给其实际应用带来了一定的挑战。
因此，对PEMFC的动态特性进行深入研究和建模，能够更好地理解其复杂机理和动态特性，为其实际应用提供科学有效的指导。
二、研究内容和目标本课题旨在通过对PEMFC的动态特性进行建模和仿真研究，以了解PEMFC的工作状态和响应特性。
具体包括以下内容：1.对PEMFC的理论模型进行综述和讨论，对PEMFC的关键参数及影响因素进行分析和总结。
2.基于PEMFC的理论模型，建立数学模型，研究PEMFC的动态特性，包括启动、停止、负载变化等。
3.通过MATLAB等仿真工具，对所建立的数学模型进行仿真和分析，探究PEMFC的动态响应特性，为其实际应用提供参考依据。
4.对仿真结果进行分析和总结，提出改进建议和优化方案，以提高PEMFC的动态性能和实际应用效果。
三、研究方法和技术路线本课题采用文献综述和数学建模、仿真等方法开展研究工作。
具体技术路线如下：1.文献综述：通过国内外相关文献的阅读和分析，了解PEMFC的基本原理和现有研究成果，对其动态特性进行综合总结和评估。
2.数学建模：基于PEMFC的基本原理和动态特性，建立相应的数学模型，包括模型参数和模型方程等，并采用仿真工具进行验证和优化。
3.仿真分析：采用MATLAB等仿真工具对所建立的数学模型进行仿真分析，探究PEMFC的动态响应特性及其影响因素。
HT-PEM燃料电池性能实验分析
HT-PEM燃料电池性能实验分析孙红;王瑞宙;于东旭;张方辉【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(032)001【摘要】目的研究电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池的性能影响.方法通过电化学工作站测试了HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,利用等效电路法分解得到HT-PEM燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度、氢气流量和空气流量对燃料电池的伏安特性、欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池性能有一定影响,温度升高和增大气体流量能够一定程度地提高高温质子交换膜燃料电池的性能.HT-PEM燃料电池的性能不会随着气体流量的增加而一直增加.结论升高温度降低了燃料电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗;氢气流量变化和空气流量变化对欧姆阻抗和法拉第阻抗没有明显影响.【总页数】6页(P156-161)【作者】孙红;王瑞宙;于东旭;张方辉【作者单位】沈阳建筑大学交通工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TM911.4【相关文献】1.进气速度对交指HT-PEM燃料电池性能的影响 [J], 陈士忠;罗鑫;夏忠贤;孔建霞2.NH3杂质对HT-PEM燃料电池性能的影响 [J], 孙红;连丽;喻明富;张方辉3.HT-PEM燃料电池组合流场的性能模拟 [J], 陈士忠;夏忠贤;张旭阳;吴玉厚4.膜电极压缩对HT-PEM燃料电池性能的影响 [J], 吕强;孙红;向培勇5.基于介观分析的HT-PEM燃料电池阴极扩散层传质研究 [J], 孙红;张添昱;李洁;李天一因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高功率薄型金属双极板PEM燃料电池堆研究
环冷却水进、出电池堆的流量和温度差控制电池堆的操作温 度。通常，电池堆操作温度≤８０℃，进出口温差≤８℃。电性能
测试以恒流模式进行，测试系统计算机可自动实时记录电池
堆及单体电池电压和其它相关信息。每个调节测试电流值下，
稳定运行１０～１５ ｍｉｎ后记录的电压值为有效电压测量值。测
试条件列于表２。工作电流≤１００Ａ时，空气计量比为３～４，氢
图２ 薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆实物照片
Ｆｉｇ．２ Ｐｈｏｔｏｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ
表１ 薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆物理技术参数
Ｔａｂ．１
序号
１ ２ ３ ４
Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ
高功率薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆研究
王 东，王 涛，张 伟，刘 向，张新荣 （上海空间电源研究所，上海２００２３３）
摘要：对高功率车用薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆模块进行测试研究。电池堆模块可在空气压力”０。３００ ｋＰａ
条件下工作，表现出良好的高、低压兼容特性。当空气压力３００ ｋＰａ。电池堆温度７０℃。工作电流３５０ Ａ时。电池堆输 出功率可达２７．２ ｋＷ，其质量和体积比功率分别为７７７ Ｗ／ｋｇ和１ ０１５ Ｗ／Ｌ。单电池电压方差求和计算结果显示。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（约为１ Ｎｃｍｚ）放电电流下，使用纯
１．４。２短堆寿命测试 电池堆耐久性测试采用上海空间电源研究所自制燃料电
池测试台，如图３所示。测试装置主要包括供气和排气系统、 气体加湿系统、温控系统、水循环系统等。氢气、空气／氧气经 减压后进入膜增湿器，再进入电堆，产物水随着反应尾气排出 电堆后进人各自的水汽分离罐后排空，电堆温度通过循环水 进行控制。
新型燃料电池的研究与应用
新型燃料电池的研究与应用一、燃料电池简介燃料电池是一种将氢气或其他一些燃料（如甲醇、乙醇等）的化学能转换成电能的装置。
燃料电池是一种清洁的、高效的能源转换技术，主要应用在移动设备、汽车和住房等领域，是未来能源领域的一个重要方向。
燃料电池相对于传统电池的优势在于，它们的能源密度更高，可以在更长时间内持续运作。
而且，燃料电池的排放只是水和热能，因此它们是一种非常清洁和环保的能源。
二、新型燃料电池的研究1. PEM燃料电池PEM燃料电池是一种利用质子交换膜作为电子分离和传输媒介的燃料电池。
PEM燃料电池主要应用于移动设备、汽车和船舶等领域。
由于它们的反应速度快、效率高、可调节输出功率、能够在低温下工作等特点，因此成为燃料电池研究的一个重要方向。
2. 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池是一种利用氧离子作为电荷载体的高温燃料电池。
它们的工作温度通常在600°C至1000°C之间，其主要优点包括高效率和高功率密度。
但它们的制造需要高温处理，制造成本较高，因此尚未得到广泛应用。
3. 革命性燃料电池由于传统燃料电池需要使用贵重金属催化剂来加速反应速度，这导致了成本高昂的问题。
因此，新型燃料电池的发展旨在解决这个问题。
最近，研究人员在使用金属-有机框架（MOF）在无催化剂的条件下促进燃料电池反应的过程中，取得了重大的突破。
这些革命性的燃料电池可以将氢气转换成电能，并且在没有贵重金属的情况下效率仍然非常高。
三、新型燃料电池的应用1. 汽车燃料电池汽车是一种使用燃料电池作为动力来源的电动汽车。
与传统汽车相比，它们的性能更加出色，可以在更长时间内驱动，而且它们排放的是水而不是有害气体，因此是一种非常清洁和环保的能源。
但是，目前燃料电池汽车的制造成本依然较高，因此它们的普及还需要一定的时间。
2. 移动设备移动设备通常需要更小、更轻、更可靠的电源，燃料电池可以满足这些需求。
相比于传统电池，燃料电池的能量密度更高，更加轻巧，因此适用于某些特殊的移动设备，如无人机、机器人、手持终端等。
PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能
PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能李湘华1,2，覃有为2,3，肖金生2,31广西玉林柴油机厂，广西537000；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，3汽车工程学院，湖北430070摘要：为了研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜中电流密度分布及电池性能的影响因素，利用FLUENT软件的燃料电池模块进行了单流道电池的数值模拟，得到了在阴阳极加湿温度和电池运行温度等条件不同的情况下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论了阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度、气体扩散层孔隙率等参数对燃料电池性能的影响。
结果表明随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高;随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。
模拟结果与实验结果基本吻合，这说明计算数学模型是合理的，FLUENT计算结果是可信的。
关键词：质子交换膜；燃料电池；模拟质子交换膜燃料电池输出电压随电流密度的增加而减小，这主要是由于存在各种极化的影响。
质子交换膜的电阻和膜的润湿状况有很大关系，膜的润湿条件好，膜电阻则低，反之则膜电阻变得非常大，欧姆极化也就很大，燃料电池性能下降[1]。
而燃料电池膜中电流密度对质子交换膜中水含量有着非常重要的影响，在低电流密度时，由于电化学反应生成水量以及电拖引起的水迁移量都较少，所以膜中水含量相对比较均匀；而在高电流密度运行时，即使进行阳极加湿，膜的阳极侧也有失水干凅的危险[2]。
因此，质子交换膜燃料电池中影响电池性能和膜中电流密度分布的各种因素是我们必须要给予特别注意的问题。
本文首先讨论了表1各个系列条件下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度等因素对燃料电池性能的影响。
模拟车用工况下PEMFC寿命测试及分析
模拟车用工况下PEMFC寿命测试及分析石伟玉;刘常福;慕竣屹;侯中军;邢丹敏【摘要】寿命是制约质子交换膜燃料电池(PEMFC)在车用领域实现商业化应用的重要障碍之一.根据普通乘用车在城市运行的功率输出数据,制定了模拟车用工况,采用此工况对燃料电池进行了1 000h单电池寿命测试,并通过极化曲线、渗氢电流、循环伏安(CV)、电化学阻抗(EIS)等方法对燃料电池性能进行在线测试和分析.测试结果表明,在此模拟车用工况下,衰减速度为15.7 μV/h(800 mA/cm2),单电池经过1 000次工况循环后,膜电极组件(MEA)渗氢电流无明显变化,电化学比表面积(ECA)衰减幅度为34.14％.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】4页(P77-80)【关键词】质子交换膜燃料电池;模拟车用工况;寿命测试【作者】石伟玉;刘常福;慕竣屹;侯中军;邢丹敏【作者单位】新源动力股份有限公司,辽宁大连116085;新源动力股份有限公司,辽宁大连116085;新源动力股份有限公司,辽宁大连116085;新源动力股份有限公司,辽宁大连116085;新源动力股份有限公司,辽宁大连116085【正文语种】中文【中图分类】TM911质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电解质由离子导电聚合物构成，以氢气或重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂，具有低温快速启动和结构紧凑的优点，此外，由于不使用腐蚀性的液态电解质，电池可以在任何方位、任何角度运行，这些优势使得质子交换膜燃料电池非常适用于汽车及其他可移动设施的电源。
相比其他应用领域，寿命是制约质子交换膜燃料电池在车用领域实现商业化应用的重要障碍之一。
根据美国能源部分析报告，车用燃料电池寿命接近2 000 h，远远达不到5 000 h的目标[1]。
导致车用燃料电池寿命较短的因素众多，例如：频繁启/停过程中形成的氢/空界面导致催化剂载体腐蚀[2-4]，低温冰冻/解冻过程对质子交换膜的破坏及对气体扩散层、催化剂孔结构的破坏[5-7]，反应气供应不足或分布不均形成的局部燃料或氧化剂缺乏从而导致催化剂的流失和炭载体的腐蚀[8-10]，燃料电池运行条件(温度、湿度等)不稳定导致的质子交换膜化学本文根据普通乘用车在城市运行的功率输出数据，制定了模拟车用工况，采用此工况对燃料电池进行了1 000 h寿命测试，并通过极化曲线、渗氢电流、循环伏安(CV)、电化学阻抗(EIS)等方法对燃料电池性能进行在线测试和分析。
PEM燃料电池效率和特性的研究
t/min:s v/ml 225 200 175 150 125 100 75 50 t=540s 25 25 25 25 0:00 9:05 0:00 9:07 0:00 8:57 0:00 8:51 U=0.75V
U/V 0.75 0.75 0.75 0.73 0.75 0.75 0.75 0.74 I=0.35A
24
I=2.01A
表3.2
U=1.83A
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175 t/min:s 0:00 1:42 3:24 5:07 6:49 8:34 10:15 12:03 t/s 0 102 204 307 409 514 615 723
25
根据 就可以算出电解的效率。 就可以算出电解的效率。
PEM燃料电池效率和特性的研究 PEM燃料电池效率和特性的研究
1
目录
实验目的 实验仪器 实验原理与计算 实验步骤 总结
2
实验目的
绘制水的电解特性曲线。 绘制水的电解特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 测量水的电解效率。 测量水的电解效率。 测量燃料电池的效率。
3
实验仪器
6
图二：
7
电解过程中发生的反应如下： 电解过程中发生的反应如下：
阳极
2H2O → 4e + 4H + O2
4 H + 4e → 2 H 2
2 H 2O → 2 H + O2
8
−
+
阴极
+
−
总反应
2
图三：
9
图四：
10
燃料电池中发生的反应如下: 燃料电池中发生的反应如下
PEM燃料电池堆单片一致性研究的开题报告
PEM燃料电池堆单片一致性研究的开题报告题目：PEM燃料电池堆单片一致性研究一、研究背景和意义随着燃料电池技术的不断发展，PEM燃料电池已经被广泛应用于汽车、航空航天和家用电器等领域。
相对于传统燃料电池，PEM燃料电池具有体积小、重量轻、启动快、无污染等优点，因此被广泛使用。
然而，PEM燃料电池在使用过程中也存在一些问题，其中之一就是单片间的一致性问题。
燃料电池堆的工作性能直接受单片性能影响，如果单片之间存在性能差异，那么就会导致整个燃料电池堆的工作性能出现不一致的情况，严重影响燃料电池的应用。
因此，研究PEM燃料电池堆单片一致性问题是十分必要的。
二、主要研究内容和技术路线本研究的主要内容是对PEM燃料电池堆单片一致性问题进行研究，包括以下几个方面：1.分析PEM燃料电池堆单片性能差异的原因2.建立单片性能测试方法和评价指标3.通过实验研究PEM燃料电池堆单片一致性问题，对不同工况下的单片性能进行测试和分析，进而确定性能差异的范围和程度4.提出PEM燃料电池堆单片一致性问题的解决方法和措施技术路线如下：1. 对PEM燃料电池堆的结构和工作原理进行研究和分析，找出单片性能差异的可能原因。
2. 建立PEM燃料电池堆单片性能测试和评价的方法和指标，包括电压、电流、能量转换效率等。
3. 对PEM燃料电池堆单片性能进行测试和分析，统计单片性能数据并进行相关性分析。
4. 提出PEM燃料电池堆单片一致性问题的解决方法和措施。
三、预期成果和应用价值本研究旨在深入探究PEM燃料电池堆单片一致性问题，为解决燃料电池堆一致性问题提供理论支持和实验数据。
预期成果包括：1. 找出PEM燃料电池堆单片性能差异的原因，并建立相应的测试和评价方法和指标。
2. 对PEM燃料电池堆单片一致性问题进行实验研究，得出单片性能的范围和程度。
3. 提出PEM燃料电池堆单片一致性问题的解决方法和措施，为燃料电池的应用提供技术支持。
本研究的应用价值为：1. 为PEM燃料电池堆制造商提供技术支持，解决单片一致性问题。
燃料电池系统热力学性能分析及多目标优化研究
较大的工作电流导致较大电功率和效率的衰减,而且随着高度的增加,系统的最佳工作电流逐渐减小。在电流密度为1000mA/cm~2的情况下,当高度上升到5km时,系统输出电功率衰减了14.9%。
燃料电池系统热力学性能分析及多目标优化研究
燃料电池作为一种高效、清洁的能量转换装置,在能源匮乏,环境污染严重的当今社会受到人类的青睐。随着信息技术的发展,质子交换膜燃料电池(PEMFC)动力系统由于具有续航时间长、体积小及机动性好等特点被视为未来优选的动力设备。
但由于PEMFC自身成本高,功率密度低,使其大规模应用受到了很大钳制。为深入探究不同操作参数及环境对PEMFC输出性能的影响,分析燃料电池的最优操作参数分布规律,本文的主要研究内容及结论如下:1、建立了氢-空、氢-氧质子交换膜燃料电池系统的仿真模型,分析并对比了不同工况对燃料电池系统输出性能的影响。
结果表明:提高阳极进气压力、进气相对湿度会提升燃料电池的整体输出性能。增大电流密度,可使系统的输出电功率升高,且当电流密度为900mA/cm~2左右时,系统输出电功率达到最大值。
通过分析可以看出,为保证系统的输出特性,燃料电池电流密度的选取不宜太小,但也不宜超过950mA/cm~2。相同工作条件下,氢-氧燃料电池相比氢-空燃料电池在系统输出电功率及系统输出电效率上有明显提高。
而在相同海拔的情况下,PEMFC系统保持相对合适的电流密度及较高的氢气进气压力能有效提升整个动力系统的输出性能。3、利用多目标遗传算法对系统进行多目标优化,得出燃料电池最优操作参数集,为燃料电池的性能优化提供理论依据。
根据目标函数所占权重的不同,优化结果如下:电流密度均匀分布在100-1000mA/cm~2之间,工作温度接近348K,氢气进气压力为2.8atm-3atm之间,空气进气压力在1.2atm-1.6atm之间,相对进气湿度多数分布在100%。本文通过对燃料电池系统的仿真优化分析,为燃料电池的工业应用提供技术和理论支撑。
PEMFC燃料电池催化剂稳定性能研究
PEMFC燃料电池催化剂稳定性能研究随着能源需求的增长和环境保护的迫切需求，燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术得到了广泛的关注和研究。
其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其具有高能量密度、低温运行和快速启动等特点，被认为是最具应用前景的燃料电池技术之一、而燃料电池的催化剂是PEMFC中至关重要的组成部分，其性能稳定性直接影响到燃料电池的长期稳定运行。
目前，常用的PEMFC催化剂主要有铂族金属（Pt）及其合金。
金属催化剂在电化学反应中起催化作用，但在长时间使用过程中，受到催化剂的腐蚀以及金属颗粒的聚集等因素的影响，催化剂会发生失活，降低燃料电池的性能。
因此，研究催化剂的稳定性能，提高其长期稳定运行能力是非常重要的。
首先，研究人员可以通过表征催化剂的物理和化学性质来了解其稳定性能。
例如，使用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等表征技术来观察催化剂颗粒的形貌、尺寸及晶体结构等，以及能量色散X射线（EDX）来分析元素组成和分布情况。
通过这些表征手段，可以对催化剂的结构和形貌变化进行了解，进而分析催化剂的稳定性能。
其次，应用电化学测试方法研究催化剂的稳定性能。
常用的电化学测试方法包括循环伏安法（CV）和电化学交流阻抗谱（EIS）。
循环伏安法可以通过改变电位来模拟长时间使用中的起伏电位工况，从而研究催化剂的耐电位循环性能。
而电化学交流阻抗谱可以通过在不同频率下施加小信号电势来测量电极界面的阻抗，从而研究催化剂在不同频率下的电化学反应速率及其稳定性。
此外，通过改变催化剂的合成方法或添加助剂来改善催化剂的稳定性能也是一个有效的途径。
例如，合成催化剂时可以采用控制沉积方法来控制催化剂的分散度和尺寸，并加入适量的助剂来促进催化剂的稳定性。
助剂可以改善催化剂的电化学活性，抑制催化剂的聚集和腐蚀等。
总之，研究PEMFC燃料电池催化剂的稳定性能是提高燃料电池长期稳定运行能力的关键之一、通过综合运用物理化学表征和电化学测试方法，研究人员可以了解催化剂在长时间使用过程中的结构形态变化和电化学性能变化，并通过改变催化剂的合成方法或添加助剂等途径来提高其稳定性能，从而推动燃料电池技术的发展。