质子交换膜燃料电池作为氢能产业应用的核心产品,具有能量转换效率高、零排放、无污染等特点,是车用领域的重要动力来源之一。然而,高昂的成本限制了车用质子交换膜燃料电池的大规模应用及推广。低铂化膜电极技术的开发是提高其价格竞争力的重要手段,但低铂化过程中面临的严重传质和寿命问题急需解决。总结了低铂化膜电极技术的研究进展及现有技术的不足,并展望了未来的发展趋势,可为车用质子交换膜燃料电池的低铂化膜电极技术开发提供参考。

针对车用燃料电池系统控制策略,从系统结构、控制对象、控制目标、控制方法等方面总结了其研究现状和发展趋势。在系统结构设计方面,需要研发高性能关键部件,简化控制系统结构,降低控制难度。在控制对象方面,针对强耦合物理量的解耦控制有待深入研究。在控制目标方面,多目标优化控制策略将是未来的研究重点。在控制方法方面,复合控制策略和基于学习的智能控制策略将是未来的研究方向。

动力电池容量是影响燃料电池汽车结构组成的重要因素。对动力电池和燃料电池耐久性、低温环境适应性进行对比,结果表明,配备大容量动力电池可减少燃料电池在不利工况下的运行时间,提高低温冷启动性能。对燃料电池汽车实现制动能量回收进行研究,发现增加动力电池容量可提高汽车长距离缓速制动时再生制动回收能力。对燃料电池系统全生命周期成本的分析,表明合理匹配动力电池、燃料电池可降低系统成本。进而指出燃料电池汽车未来的重要发展方向之一是插电化,对燃料电池汽车商业化发展有一定指导作用。

对质子交换膜燃料电池水淹膜干故障的形成机理和检测方法进行综述。从PEMFC的构造、内部气体传输机理和水传输机理对水淹膜干故障的成因进行分析。对基于模型、数据驱动和可视化直接成像的水淹膜干故障诊断方法进行综述,深入了解不同诊断方法的技术特点。针对目前各类诊断方法存在的局限与不足之处,借助电化学阻抗谱分析设备小型便携化、电池模型参数完善和电池故障大数据共享等技术,提出对非固定动态工况下PEMFC水淹膜干故障预防与诊断的发展方向。

建立泡沫金属流场的三维完整形态,通过三维数值模拟进行研究,结果表明,泡沫金属流场可以有效地降低浓度极化损失,从而提高燃料电池在大电流密度下的性能,且与增加的输出功率密度相比,相应的泵送功率损失可以忽略不计。同时,在泡沫金属流场作用下,质子交换膜燃料电池内部的氧气浓度分布比传统的直流道的燃料电池更加均匀。通过台架试验,观测了泡沫流场中的液态水的流动状态,并通过三维数值模拟,得到了与试验相似的流动现象,且与传统直流道流场对比,泡沫金属流场对燃料电池水淹现象的改善有很大的帮助。

质子交换膜燃料电池的老化过程影响其输出性能,为了更精确地控制输出功率,需要考虑燃料电池的老化和功率衰退趋势。以功率电流曲线作为健康状态指标,在以往研究的基础上进行改进,考虑开路电压在老化过程中的变化,增加老化模型中老化因子的个数,建立了质子交换膜燃料电池功率和內部部件老化之间的映射关系,基于极化曲线推导了半机理功率衰减模型,并基于正则化粒子滤波算法设计了老化率模型,结合功率衰减实现对燃料电池健康状态的估计。在测试数据集上进行了仿真试验,并和试验测试数据进行对比,结果表明,该方法能对长期性能衰减模型进行预测,相比于已有的研究方法,该方法能通过老化率参考值和功率衰减模型更准确地估计质子交换膜燃料电池的健康状态和性能衰减趋势,随着训练时间的缩短,估计精度较之提升,尤其是在训练时间长度100h,估计时间长度250h,误差相对下降率达65.69%。

探讨了一种使用金属氢化物储氢罐和质子交换膜燃料电池的车载氢能源系统,旨在通过数学建模和工况测试评估氢能源系统内部的热量耦合效应。基于热交换系统结构和换热特性提出了氢能源系统多物理场模型,又基于增程式燃料电池物流车运行工况进行了数值模拟和试验验证。结果表明,所提出的数学模型能准确表征车载氢能源系统的动态特性,功率响应与温度动态变化具有显著的一致性。借助热交换系统提供热量补充,低温条件下固态储氢罐释氢速度加快,提高氢能源系统的动态响应速度和能源利用效率。研究结果可用于基于固态储氢与燃料电池耦合的氢能源系统最优尺寸设计、温度控制和能量管理策略设计。

温度控制是实现燃料电池发动机快速响应、降低能耗与安全运行的保障,而电堆内部热量场与电化学场、流场相互影响,其耦合特性是温度控制的关键。以某中型燃料电池卡车为研究对象,构建“热电流”多场耦合模型,通过参数分析确立温度控制关键因素,设计模糊PID温度控制器,并通过多变工况验证控制效果。结果表明,通过所构建的模型能全面分析温度控制关键参数,所提出的控制器能有效提高响应速度,降低散热风扇转速和输出电压超调量,在设置的测试工况与NEDC工况下,温度的超调量分别降低了19.1%与1.64%。可为燃料电池发动机设计与控制提供基础,进一步推动大功率燃料电池的车载应用。

为减小压力波动对燃料电池寿命的不利影响,通过仿真及对比试验,探究增加旁通阀对阴极供给系统压力波动的改善效果。根据对燃料电池输出特性与各组件工作原理的分析,建立机理与控制模型;采用基于自抗扰的反向解耦方法实现流量与压力的解耦控制;运用模糊PI方法实现压力波动控制。通过Matlab/Simulink仿真验证了解耦方法在该系统结构下的控制效果,在对比试验中,压力波动峰值分别为无旁通阀1.82kPa与有旁通阀1.09 kPa,旁通阀的增加减小了压力波动,使阴极流道压力的稳定性得到了更有效的控制,对提升燃料电池寿命有重要意义。

为对双堆燃料电池热管理系统进行有效控制,基于试验数据建立了电堆模型,并耦合水泵、换热器等关键零部件模型形成完整的热管理系统模型。为保证阶跃工况下电堆温度的稳定,设计了基于比例积分与线性自抗扰算法的联合控制策略,并进行仿真验证。提出了基于前馈解耦及串级LADRC的改进控制策略,通过仿真对比改进前后的控制效果。结果表明,改进后的控制策略能有效减小超调量,反映温控精度的时间乘绝对误差积分量最高可降低66.39%。

燃料电池水热管理系统是维持燃料电池发动机水热平衡的核心系统,其流量、温度、压力分布等都对燃料电池发动机的性能、功耗和可靠性有着重要的影响。基于某额定功率120kW的燃料电池发动机,从系统功能和性能最优的角度给出了架构方案设计、零部件选型匹配的理论依据,根据相关设计输入和设计目标要求,借助一维仿真软件FloMaster进行了水热管理系统的建模、仿真与结果分析,评估了系统在不同工况下流量、压力、温度和流速的分布,并通过台架试验手段进行了验证。仿真与试验结果表明,在系统额定工况和怠速工况点,水泵流量、电堆进出口温差、电堆入口温度等关键技术指标均满足系统目标需求。

针对受限空间内车载供氢系统氢气泄漏后可能导致的安全风险问题,基于Fluent软件对氢燃料电池半挂牵引车在受限空间中进行了氢气泄漏扩散的仿真研究。结果表明,以氢气向后泄漏数据为基准,氢气向上及向前泄漏后,通风口附近氢气浓度平均增加42.38%和99.89%。以泄漏速率为10g/s的氢气浓度数据为基准,在20g/s和90 g/s的泄漏速率下,通风口附近氢气浓度平均增加4.68%和127.73%。在一定条件下,通风口面积的增大能使受限空间内氢气浓度降低,但通过增加强制通风装置的方法能更有效地降低通风口附近的氢气浓度。长时间的氢气泄漏后,整个受限空间中的氢气分布逐渐达到平衡,应及时有效地限制氢气泄漏。

在“双碳”目标和各项新能源政策的支持下,氢能产业迎来快速发展。加氢站作为氢能产业上游制、中游储和下游应用市场的枢纽,其建设发展离不开安全风险评估。建立了加氢站的定量风险评估方法,并以某一加氢站为例,利用定量风险评估软件 Safeti对加氢站风险进行了评估。基于个人风险等值线和社会风险分析结果,判定该加氢站的事故风险大小。为保障加氢站安全,从标准规范、安全系统和制度体系等方面提出了加氢站风险防控的对策和建议。

基于计算流体力学耦合计算气动声学的方法,在不同空压机运行工况下分析了穿孔消声器的降噪效果,量化了消声器内的热声转化关系。结果表明,穿孔消声器的空腔厚度和穿孔率对高频组分声波的吸消声起着决定性作用。与低频声波相比,穿孔消声器对高频组分声波的消声效果更好;随转速的增加,穿孔消声器对高频组分声波的消声效果逐渐增强,而对低频组分声波的消声效果几乎无变化。对穿孔消声器内的热声转化分析表明,低转速运行工况下,消声器消声前后声振荡能量几乎全部转化为工质可用能,而在中高转速运行工况下,声振荡衰减的能量转化为工质可用能的比例较小。为设计出可以在宽运行工况下实现宽频降噪的消声器,高转速运行工况下低频组分声波的消声应该作为重点优化的目标,同时也要考虑低转速运行工况下消声器消声前后的热力学性能的改善。为降低离心式空压机的气动噪声提供了—种新的方法,为设计宽工况适应性的高效空压机消声器提供了理论基础。

以燃料电池用氢气引射器为研究对象,通过建立引射器內部流场CFD仿真模型,研究了喷嘴直径D、喷嘴角度@和混合室直径D等结构参数对引射器性能的影响规律。结果表明,在不同功率段,结构参数对引射器性能的影响规律不同。在低功率段,引射比随着喷嘴角度的增大而显著增大,在高功率段,引射比随着喷嘴角度的增大而减小。混合室直径D对引射性能的影响则相反,在低功率段,引射比随着混合室直径的增大而减小,在高功率段,引射比随着混合室直径的增大而增大。基于上述影响规律,形成了引射器关键参数设计选取方法,并给出了参数优化设计区间。

以某款燃料电池电动轻型卡车作为研究对象,以提高燃料电池系统的经济性和耐久性为目的,利用Matlab/Simulink搭建了燃料电池电动轻卡动力系统仿真模型,对其能量管理策略进行优化。在原模糊控制策略的基础上进行改进,对燃料电池输出功率变化率进行约束,制定了一种改进后的模糊控制策略。将改进后的模糊控制策略与有限状态机控制策略和原模糊控制策略进行对比仿真验证。结果表明,在NEDC和UDDS循环工况下,改进后的模糊控制策略比原模糊控制策略氢耗量分别减少5.65%和8.29%;与有限状态机控制策略相比,改进后的模糊控制策略的氢耗量分别减少16.63%和10.64%,并且改进后的模糊控制策略的燃料电池输出功率波动幅度更小,变化更加稳定,提高了燃料电池系统的经济性和耐久性。

着眼于某款燃料电池客车的热管理及余热回收,构建了集成式整车热管理系统,提出9种热管理运行模式,基于AMESim建立整车热管理仿真模型,分析系统在高温、低温和极低温工况下的温控特性与能耗特性。结果表明,在环境温度为34、37、40℃的高温工况下,热管理系统可以使关键部件维持在适宜温度范围内,符合各自冷却需求;在环境温度为10、5、0、5℃的低温工况下,关键部件均可被满足其加热温控需求,考虑到余热回收座舱供暖,电堆和电机的余热量可满足15℃及以上环境温度下车舱的制热需求,整车行驶能耗较纯PTC供暖最高可节省10.44%;在30、25、20°C的极低温工况下,仅靠余热难以满足座舱加热需求,需通过PTC和余热联合供暖,PTC加热额外增加等效氢耗量分别为44.10、36.89、33.50g。