针对质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)氢气引射器优化研究中优化精度低、忽视多结构耦合作用的问题,采用CFD和响应面法结合优化引射器结构参数。通过单因素仿真试验研究各结构对引射比的影响,在此基础上设计正交试验构建响应面分析多结构参数交互作用。研究结果表明喷嘴距和等压混合室直径的响应p值小于0.05,存在耦合作用且对引射性能具有显著影响,通过响应面法优化后引射器最大引射比达到3.62,相比于单因素优化结果提升了25.69%并且预测模型误差仅为4.93%。

为了提高质子交换膜燃料电池的运行效率、保障运行安全,设计了一个前馈加状态反馈的控制器来调节温度,并在Amesim中建立了电堆的热管理系统仿真模型。在Matlab/Simulink平台上建立了控制策略模型,对风扇和水泵进行协调控制。仿真结果表明,电堆的入口温度控制在70℃上下,电堆入口和出口的温差控制在10℃以内,热管理系统能够将系统的热平衡温度控制在62℃左右,控制效果满足实际工作需求。研究结果对于提高燃料电池发动机热管理系统智能性具有重要的理论意义。

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。

以提升质子交换膜燃料电池(PEMFC)结构可靠性、降低各部件损伤风险为目标,将阳极板、阴极板和膜电极通过注塑粘合成一个整体部件,开发了一种一体化密封单电池,该方案对膜电极具有更好的保护性,且更易加工成型。对模型进行有限元仿真,结果表明,在阴极板流场脊区域平均应力0.6~1.2 MPa条件下,一体化密封方式下质子交换膜(PEM)活性区域边缘平面内平均变形量比线密封方式降低了67.52%~80.73%,活性区域厚度方向上受压后平均变形量降低了30.86%~45.92%,极大改善了PEM的力学稳健性,降低其撕裂风险,从而提升了其使用寿命。搭建了基于差压法的密封性能测试系统,对加工成型的一体化密封单电池实物进行了密封性能测试,结果表明各项漏率指标均达标。

为探究燃料电池密封件表面形貌对密封接触特性的影响,采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数表征密封件的表面形貌,基于Majumdar-Bhushan接触模型构建考虑密封件表面形貌的二维有限元模型。研究接触—一次线性加载—卸载—二次线性加载4个步骤下光滑表面与粗糙表面的接触特性,基于上述模型,研究材料硬度对燃料电池密封性能的影响。研究结果表明:粗糙表面二次加载后其应力分布均匀度低于第一次,且其2次加载后应力分布均匀度均低于光滑表面;粗糙表面二次加载后其最高应力与最大接触压力较第一次分别增加14.29%与89.29%,而光滑表面几乎维持不变;对于粗糙表面,其硬度越高,泄漏率越低,且其降低幅度随硬度增大而减小。

为了分析冷启动过程中质子交换膜燃料电池发动机的空气加热系统的工作性能，采用ε-NTU方法和CFD仿真技术得到了双流程换热器内部的温度分布，研究了冷却液温度和流量对整体散热器的换热性能的影响。通过比较发现模拟值与测试数据的误差小于10％，表明仿真模型和采用多孔介质模型的研究方法的可行性。根据仿真结果，采用遗传算法得到了该系统采用的铝制散热器的冷却液的最优参数组合，研究结果为优化空气预热系统，提高散热器的冷却效率提供了指导。