1.5 kW质子交换膜燃料电池堆动态工况响应特性

考察了自制1.5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆在动态工况下的性能。研究了PEMFC电堆电压、功率、反应参数随车载工况运行出现的响应情况。发现在大电流密度下,由于各单电池的差异,电堆电压和功率出现比较明显的波动现象。在选定两个工况周期中,电堆各单电池电压的差异系数C_V最大达到4.23%,最高单电池电压和最低单电池电压相差0.106 V。数据分析表明在该动态工况下,PEMFC电堆的动态响应特性受到反应物和电堆温度变化、空气局部流量过大或不足以及电堆内部阳极和阴极出现明显压降等因素的影响。该研究不仅为后续耐久性测试提供分析依据,还对PEMFC电堆实际车载运行参数与控制策略的优化具有指导意义。     

氢气进气压力对空冷PEMFC性能的影响

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有自增湿、质量轻、系统操作简单等特点,适合应用于无人机等领域。氢气进气压力是影响空冷型PEMFC电堆性能的一个重要因素。以1 kW阴极开放式空冷型PEMFC电堆为研究对象,对比了不同氢气进气压力对单片电池电压及其一致性、电堆输出电压、输出功率以及氢气利用率的影响。研究结果表明,氢气进气压力越高,单片电池电压、电堆输出电压和功率越高,大电流下单片电池电压的一致性越好;此外,本实验利用排水法收集阳极尾气并计算氢气利用率,氢气进气压力越高,系统氢气利用率越低。     

1～5 kW高温聚合物电解质膜燃料电池堆的理论模拟与组装测试

以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm²)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象，通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示，当电堆的单池数量从10片增加至60片时，平均单池电压从0.6414 V略微降低至0.6404 V，且单池之间电压极差从1.8 mV增加至6.5 mV；单池间的平均工作温度从431.01 K升高至433.90 K，且每单池自身工作温度的极差从6.95 K增加至10.22 K。表明随着电堆单池数量的增加，电堆的平均单池电压呈轻微下降趋势，且单池间电压极差变大，单池电压一致性有所下降，单池间的温差变大，其单池自身的均温一致性也有所降低，电堆热管理难度增加。在模拟结果的指导下分别组装了30、60和120片单池的高温膜燃料电池堆，在氢/空干气、33 A的恒流放电条件下，测得30、60和120片单池电堆的平均单池电压分别为0.6566、0.6548和0.6552 V，单池极差从24 mV增加到59 mV，与模拟结果显示出良好的一致性，验证了模拟结果的有效性。在氢/空...     

车用燃料电池关键材料技术研发应用进展

车用燃料电池系统成本的不断降低和电堆耐久性能的提高促进了燃料电池汽车的快速发展。燃料电池堆是车用燃料电池系统的核心单元,电催化剂、质子交换膜和气体扩散层是制造燃料电池堆的基本材料,决定了电堆的成本和耐久性能。本文从应用角度对国内外电催化剂、质子交换膜和气体扩散层制造技术的应用发展进行了回顾,分析了国内发展燃料电池电催化剂、质子交换膜和气体扩散层制造技术的重要性和国内产业化水平落后的原因,提出了发展的建议,为这些关键材料加快国产化提供参考,以期尽快提高国产燃料电池堆耐久性能、降低制造成本。     

高温质子交换膜燃料电池电堆稳定性分析与优化

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）应用前景广阔,但是目前HT-PEMFC电堆寿命较短。为此,本文对一个百瓦级空冷HT-PEMFC电堆的稳定性进行了研究。恒电流测试结果发现电堆中间位置单电池电压的衰减速率是两端的5～10倍。XRD、TEM测试结果表明电堆不同位置单电池催化剂Pt粒径变化较小,而极板吸酸量滴定与欧姆极化损失分析结果表明中间位置单电池磷酸流失速率是两端的2～3倍,导致其内阻是两端的5～8倍,膜中磷酸的流失迁移至电极导致氧增益电压比两端增加41～102mV。综上,电堆中间位置单电池磷酸流失过快是导致电堆寿命缩短的主要原因,而电堆温度分布不均则是磷酸流失过快的主要原因。因此,若要提高电堆的寿命,关键要从电堆磷酸与热的管理方面进行优化。     

PEMFC电堆动态工况响应性能试验

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆动态响应特性对PEMFC电堆的耐久性和可靠性具有很大影响。本文试验考察了PEMFC电堆在动态工况下的输出性能、单电池电压均衡性变化和动态响应特性。结果表明,在整个动态运行工况下,电堆运行良好,进出口冷却液温差小于5℃。电流阶跃变化时电堆电压均衡性出现突增变化,同时随着电流的增大,稳态时电堆均衡性变差。在超负荷（200A）运行工况下,电堆各单电池之间输出差异变大,均衡性持续变差,电堆中间和前端单电池电压明显降低。此外,在整个动态响应过程中电流阶跃上升时的电压最大下冲值比电流阶跃下降时的电压最大上调量大,但输出电压能在10s内达到相对稳定的状态（电压波动率＜0.02）。通过该研究,以期为实际车载电堆运行和控制优化提供参考。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

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。     

空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

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。     

质子交换膜燃料电池启动策略的实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在启动时各单片电池将出现高电压,而高电压会加速催化剂碳载体的腐蚀,进而影响电堆的性能。为了降低燃料电池启动时形成的高电压和缩短高电压维持的时间,本文通过实验研究对比分析了常规启动、联合最低单片电压启动和减小氢气进气压力启动3种不同启动方式对PEMFC的影响,提出了一种新的PEMFC启动策略。该策略是减小电堆启动时氢气进气压力,当电堆最小单片电压值大于0.3V后立即切入10?启动负载。结果表明,该策略不仅可以明显降低电堆启动时最大单片电压值,还缩短了高电压维持的时间,有利于提高电堆耐久性,是一种十分有效的PEMFC启动控制策略。     

熔融碳酸盐燃料电池堆开发及其性能试验

针对大面积熔融碳酸盐燃料电池及其大功率电堆本体开发过程中关键材料的制备以及匹配特性难题，开发了大面积熔融碳酸盐燃料电池隔膜和电极的制备方法，提出了10 kW级熔融碳酸盐燃料电池堆的组装与测试运行方法。组装并运行了120节、每节电池有效面积为0.2 m²的10 kW级MCFC电堆，恒电压放电测试中，最大输出功率达16.51 kW,电流密度大于95 mA/cm²。通过多次试验研究与分析，获得了一种有效的在线评价MCFC电解质隔膜焙烧效果的方法，使熔融碳酸盐燃料电池本体中隔膜、电极以及熔盐电解质三者形成良好的匹配，对提高MCFC电池堆组装成功率与长周期的运行寿命具有重要指导意义。电池堆本体开发及性能测试方法，将为后续更大功率的熔融碳酸盐燃料电池发电系统的开发提供有效的理论与试验指导，对推动MCFC的商业化示范推广等具有重要的意义。     

低氢气计量比下车载工况燃料电池电堆耐久性研究

考察了1.9 k W质子交换膜燃料电池电堆在低氢气化学计量比,电流快速连续变载条件下的耐久性。在244 h工况运行后,在电流密度为800 m A×cm-2的条件下,电堆单电池平均电压从0.616 V下降到0.464 V,衰退率为0.623m V×h~(-1),由此可见电堆出现快速性能衰退。在实验过程中,车载工况使得电堆阴阳极进气压力以及进气温度出现明显波动,从而导致膜电极组件(MEA)遭受周期性的机械应力与热应力冲击。此外,在氢气化学计量比为1.05条件下,电流快速连续加载会导致供气系统响应迟缓,气体供应不及时,甚至导致燃料局部供应不足,这可加剧载体碳腐蚀。极化曲线、循环伏安法(CV)测试、电化学交流阻抗谱(EIS)表征发现,电化学活性面积的下降引起了电堆的快速、不可逆的衰退。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)表征显示阳极催化层厚度变薄,阴阳极催化剂颗粒出现不同程度的长大。可见,在车载工况下,由于低氢气计量比引起的局部缺氢,加速了碳载体腐蚀,并使Pt颗粒的团聚以及流失,影响燃料电池性能。     

煤气化燃料电池联合系统中固体氧化物燃料电池堆性能

煤气化燃料电池联合系统是下一代高效、清洁发电技术的重要选择之一。为避免煤合成气在固体氧化物燃料电池堆内由于CO歧化反应形成积碳，需对合成气进行一定程度加湿。利用替代映射方法构建了固体氧化物燃料电池堆多物理场多尺度模型，分析不同加湿程度下的电堆性能。加湿后，电堆内水煤气变换反应速率显著增大，并与H₂和CO的电化学反应相互影响。在电堆内电池流道入口附近，水煤气变换反应尤为强烈，将CO快速转变为H₂,补充了H₂电化学反应的消耗。但加湿程度的增大也会降低H₂能斯特电势，抑制流道入口段附近的H₂电化学反应速率。距流道入口大于60 mm的部分，CO和H₂分压接近平衡，水煤气变换反应减弱，气体反应速率受电化学反应控制。流道入口段H/O体积分数比和C/O体积分数比都较低，易发生积碳。50%以上的加湿可显著降低电堆内的积碳风险。加湿会造成电堆性能下降，采用的合成气组成条件下，100%加湿造成电堆性能损失4.65%。     

应用于大尺寸平板型固体燃料电池电堆的Al2O3-SiO2-CaO基密封材料软化特性及其验证

设计研制了Al₂O₃-SiO₂-CaO基密封材料,对其高温晶化与软化、热性能、界面黏结特性开展了原位观察,并进行了电堆实际应用验证。结果表明:在不高于1 100℃时该密封材料均为非晶态,850℃开始软化,900~1 000℃出现球化。热重分析表明密封材料在0~960℃的质量损失较小,约为0.06%;密封材料与连接板、电池界面黏结紧密,利于固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆密封应用。采用研制的密封材料组装了2个5单元SOFC短堆,分别进行了热循环与稳定性研究。结果表明:2个5单元电堆的开路电压达到6.0 V,平均开路电压1.2 V,电堆1热循环前后在35 A(0.56 A/cm²)条件下输出功率为运行无衰减,电堆2在27 A(电流密度0.43 A/cm²)进行恒流放电,运行300 h较为稳定。     

质子交换膜燃料电池停机策略的实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中引起性能衰减的根本原因是阳极侧残留有氢气。为了满足快速消除电堆内残留的氢气,研究提出了利用空冷电堆的风扇对电堆放电和使用辅助负载对电堆中各个单电池单独放电的停机控制策略。通过实验研究对比了直接停机、利用辅助负载整体放电和利用辅助负载对各个单电池单独放电三种停机方式对PEMFC性能的影响。结果表明,利用辅助负载对各个单电池单独放电的停机策略不仅能缩短燃料电池停机后各个单电池维持在高电位的时间,同时也能防止PEMFC停机放电过程中单电池反极现象的发生,是一种十分有效的质子交换膜燃料电池停机策略。     

全钒液流电池电堆的均一性

全钒液流电池电堆的均一性直接影响到其寿命。本文从流道结构、运行参数等方面,系统探讨了影响全钒液流电池电堆均一性的各种因素。通过优化管路结构和液流框结构,提高了电堆的均一性,随支管管径不断减小,当主管与支管管径由4∶3减小到4∶1时,电堆进液流量标准偏差由0.039m/s降到0.001m/s,电堆进液流速均一性得到改善;通过优化液流框结构,使电堆单体电池电解液流量标准偏差由0.142m/s降到0.032m/s,改善了电堆单体电池均一性。电解液流量、充放电电流密度等运行参数影响全钒液流电池电堆均一性,对其进行了实验与分析,结果表明:电堆电压标准偏差随充放电电流增大而线性增大,其斜率与截距均与电解液性质、电极材料性质及表面结构等因素有关;电堆电压标准偏差随电解液流速的增大而减小,且在超过一定流量后不再变化,为全钒液流电池材料选型优化、结构优化及运行提供技术支撑。     

空冷型PEMFC电堆阴极风扇系统实验与模拟

风扇被用于空冷型PEMFC电堆的冷却和氧气的供应,空气流速的大小和分布对于提高电堆输出性能和内部温度的均匀性非常关键,可以通过改变风扇的工作电压(风扇工作在恒流模式)和风扇与PEMFC阴极入口的距离来调整。针对实验室自制空冷型PEMFC电堆进行实验来寻找风扇工作距离和工作电压对于电堆性能的影响,并利用多元回归拟合得到以电堆表面平均温度为因变量,以风扇工作电压和风扇工作距离为自变量的经验公式。研究结果表明:当风扇工作距离大于或小于其最优工作距离时,电堆性能均会发生衰减;当风扇处于最优工作距离时,电堆表面温度更加均匀,各单电池电压均匀性得到提高,并且此时所需的最优风扇工作电压更小。该研究对于提高空冷型PEMFC电堆输出性能、增加电堆运行稳定性、提高电堆系统效率等具有重要的指导和参考价值。     

负载跟踪状态下的铝空气电池堆最优功率点优化方法

基于铝空气电池堆二阶等效电路,建立内阻特性和电气输出特性模型,研究操作条件对活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻和电堆总内阻的影响作用和变化规律;以电堆输出满足任意负载需求为前提,以总内阻最小为优化目标,基于“最优功率点”概念,提出一种基于粒子群算法的操作条件优化方法,获得最优工作温度、电解液浓度和输出电压等,实现电堆输出性能优化;通过仿真研究和实验研究,验证模型、方法的有效性和可靠性。研究结果表明:在负载跟踪状态下,电堆工作在最优功率点处其堆内总内阻最小;操作条件对电堆输出性能的影响作用和变化规律,在交流阻抗特性和U-I输出特性中的表现具有一致性;该优化方法能够提高电堆输出性能,减少堆内能量损耗。     

分体式质子交换膜燃料电堆的膜加湿实验

在已开发的分体式质子交换膜燃料电池电堆基础上,对膜（Nafion115）加湿器子系统进行了详细的研究,揭示了质子交换膜燃料电池膜加湿方法的特性.初步分析了膜加湿的原理,并在不同操作条件下,定量地对膜透过水量与反应气体的润湿程度进行了测量,得到了Nafion115膜加湿器对电堆的润湿性能.发现操作温度在50～70℃之间,加湿速率最强;随着反应气体流量的增大,加湿速率呈非线性增加,但润湿程度反而降低;增加质子交换膜面积会增大反应气体的相对湿度,而加湿速率将下降;较高反应气体压力下不利于加湿.在适当的膜加湿器工况下,当电流密度为2.1A•cm^-2时,电堆最大功率密度可超过1.2W•cm^-2.     

聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮高温聚合物电解质膜及燃料电池堆性能研究

基于磷酸掺杂聚苯并咪唑膜（PA/PBI）的高温聚合物电解质膜燃料电池具有高的输出功率和优异的稳定性,然而PBI膜昂贵的价格和复杂的制备工艺限制了高温聚合物电解质膜燃料电池的商业化应用。本研究以成本低和制备工艺简单的聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮（PES-PVP）膜的商业化应用为目标,小规模制备了幅宽为40 cm的PES-PVP复合膜,证实了流延法放大制备PES-PVP复合膜的可行性。PES-PVP膜中每个PVP重复单元的吸附量达4.9个磷酸（PA）分子,且在180℃的质子电导率达85 mS·cm^-1。此外,尺寸为165 cm²的PA/PES-PVP高温膜电极在150℃的输出功率达0.19 W·cm^-2@0.6 V,与同尺寸的商业化PA/PBI高温膜电极的输出功率相当,并在近3000 h的寿命测试中展示出良好的稳定性。最后,将PA/PES-PVP高温膜电极（单片有效面积200 cm²）组装高温膜燃料电池短堆,其中基于3片膜电极的短堆展现出良好的电堆启停稳定性;基于20片膜电极电堆的峰值功率达1.15 kW。以上结果表明所制备的PA/PES-PVP是一种性能优良、价格便宜的高温聚合物电解质膜材料,并且基于该膜材料组装的高温聚合物电解质膜电池和电堆性能优异。本研究工作为高温聚合物电解质膜燃料电池关键材料和电堆的国产化提供了研究基础。     

PEM燃料电池堆动态特性研究

为了探索PEM燃料电池堆的动态特性,对自制5kw PEM燃料电池堆进行了详尽的实验研究。实验结果表明,在所研究条件范围内,温度和压力越高电堆性能越好,而且电堆内阻不仅与工作温度有关,还显著地与操作压力有关。燃料电池堆对于大的负载突变反应能力强,负载变化时,在4s之内就能达到稳定状态,观察到动态极化曲线的不重合现象,它反映了电堆内部水的传质具有复杂机制。