质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。     

阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极扩散层孔隙率分布对电池性能影响很大。建立了一个单电池的三维模型,分别考虑了阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布等情况,并用有限控制体法对模型进行了求解。研究结果表明,在大电流密度下,阴极扩散层孔隙率的不同分布形态会不同程度地影响阴极氧气质量传输和液态水的排出,从而影响电池性能。     

封装力对PEM燃料电池气体扩散层孔隙率的影响

质子交换膜(PEM)燃料电池中气体扩散层(GDL)的孔隙率对整个燃料电池的性能有着重要影响,而封装力是影响燃料电池GDL孔隙率的关键因素之一。采用实验和有限元模拟相结合的方法研究封装力对气体扩散层孔隙率的影响。利用压汞仪测试气体扩散层的平均孔隙率,基于有限元方法建立质子交换膜燃料电池的双极板和气体扩散层的接触模型,研究质子交换膜燃料电池中不同的封装力下气体扩散层的孔隙率变化情况。结果表明:气体扩散层孔隙率的变化沿接触中心线左右对称,接触区域孔隙率分布较为均匀,随着封装力的增加,气体扩散层孔隙率逐渐降低;而未接触区域孔隙率变化不明显。气体扩散层孔隙率有限元模拟结果与实验测试结果相吻合。     

阴极液态水对质子交换膜燃料电池性能的影响

模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜中水传递、反应气体传质和电化学反应过程,研究了液态水对阴极氧气传输阻力和燃料电池电化学性能的影响。计算结果表明,催化层,尤其是催化层中气相和电解质相界面是影响氧气传质阻力的重要因素。液态水膜会由于氧气极低的溶解度而显著增加氧气传质阻力,降低燃料电池的电化学性能,并且,其影响会随水膜厚度和对孔隙覆盖度的增加而明显增强。     

入口流速对质子交换膜氢燃料电池性能影响的仿真研究

质子交换膜氢燃料电池是一种新型高效的电化学储能技术。其在低电压、高电流密度工况下,阴极产水速率较高。如果液态水不能及时排出,在气体扩散层积聚导致水淹,将大幅降低燃料电池性能,甚至无法工作。本文基于Ansys Fluent软件对质子交换膜燃料电池进行建模仿真,研究不同入口流速对电池性能以及内部状态的影响规律。结果表明,保持阴阳极入口质量流率比恒定,当流速提高时,电池中的液态水饱和度不断增大;当阳极入口质量流率超过8×10^-6kg/s时,出现水淹现象,导致电池性能下降。本文的研究结果可以为燃料电池在高流速工况时的水管理提供有意义的参考。     

质子交换膜燃料电池阴极液态水传输模型

通过分析确定了质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极膜/扩散层界面和流道/扩散层界面出现液态水的临界电流密度值与阴极反应气体流速的关系。建立了阴极液态水传输模型。模型分析得到,在相同电流密度下,阴极膜/扩散层界面的饱和度高于流道/扩散层界面;随电池温度的升高和入口气体相对湿度的降低,膜/扩散层界面水饱和度下降。同时基于文中条件,由水饱和度的瞬态特性分析表明,在较短的时间内水饱和度达到稳态。这些结果将为电池水管理提供依据。     

炭黑及聚四氟乙烯对气体扩散层性能的影响

气体扩散层作为质子交换膜燃料电池重要部件之一,为电极反应提供气体、电子和水的三相通道.炭黑载量以及聚四氟乙烯(PTFE)作为气体扩散层中的重要组分,其含量直接影响气体扩散层中微孔层的厚度、孔结构、电导率,从而对气体扩散层性能产生重要影响.对炭粉以及PTFE的含量对气体扩散层性能的影响进行了综述,认为不同工况对质子交换膜...     

PEMFC耐久性影响因素及测试方法研究进展

质子交换膜燃料电池是一种高效、清洁的新能源技术,被认为是未来能源最重要的发展方向之一,但燃料电池寿命短是目前阻碍电池商业化的重要因素之一。综述了近年来质子交换膜燃料电池耐久性研究进展,重点对膜电极的关键组成部分包括催化剂层、气体扩散层、质子交换膜的耐久性影响因素及常用膜电极寿命测试方法:工况循环法、启停循环法、循环伏安法、干湿循环法等进行了深入阐述。     

质子交换膜燃料电池两相流模型研究综述

质子交换膜燃料电池中有效的水管理(尤其是两相水管理)和电池系统内部良好的水平衡是确保电池稳定运行及具有优良性能的关键因素。对质子交换膜燃料电池的工作原理、液态水的生成和迁移过程及水管理现状进行了阐述,重点对质子交换膜燃料电池二维、三维两相流模型研究的内容、现状及模型的优缺点做了较全面的综述。     

四流道蛇形流场孔隙率对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池内部结构对交换膜的性能有着极为重要的影响,而孔隙率又是燃料电池结构的重要组成部分。以四流道渐变蛇形流场结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.8 V的条件下,对孔隙率分别在0.750、0.625、0.500、0.375、0.250情况下的质子交换膜燃料电池进行模拟分析和数值比较,研究流道内气体流速和沿流道方向的压力分布情况,以电池输出电流密度为参考标准,研究孔隙率对电池输出性能的影响。     

质子交换膜燃料电池水管理研究进展

质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)水管理不当会增加内阻阻碍氧还原反应,因此有效的水管理是提高性能和耐久性的关键策略之一。膜脱水、催化剂层溢流、质量传输和流体流动状态等现象会受到流道中水的分布和移动的影响。对PEMFC水管理的关键技术相关文献进行了综述,讨论了改善水管理的各种技术方案,汇总了采用中子成像和电子显微镜等技术对液滴的形成、扩散以及与气体扩散层GDL(gas diffusion layer)的相互作用进行研究的成果。详细分析了采用CFD模型和VOF方法模拟燃料电池微通道中的水滴运动和段塞形成。     

PEM燃料电池用气体扩散层材料研究进展

介绍了质子交换膜燃料电池用气体扩散层的作用和性能要求,论述了碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸以及金属材料等几种用于PEMFC的气体扩散层材料的性能参数和试验结果,介绍了它们的制作工艺、注意事项,以及各自的优缺点。     

PEMFC气体扩散层的双层结构和两相流

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的散层中水和反应气的传质、GDL的双层结构、微孔层的"水管理"机制以及GDL的研究进展.     

PTFE载量对气体扩散层性能的影响

在质子交换膜燃料电池的气体扩散层中,处理好水、气、电子的通道是十分重要的.对碳纸用不同浓度的PTFE乳液(12%,15%,18%)进行疏水处理,通过组装电池测试表明:用15%的PTFE乳液浓度处理的碳纸表现出了好的电性能.     

一种考虑催化层结构参数的PEMFC气相模型

质子交换膜燃料电池的结构设计对燃料电池车的开发具有重要意义。目前的电池模型通常把催化层简化成一层薄膜,作为边界条件使用,无法分析催化层结构对电池性能的影响。建立了考虑催化层结构参数的一维气相模型,通过有限元法研究电池内部的流场和电场分布。仿真结果和实验符合良好。分析指出扩散层的孔隙率对电池性能影响较大,应高于0.3,催化层的孔隙率对电池性能影响较小。在催化剂载量不变的情况下,催化层厚度应为10~20 mm。     

质子交换膜燃料电池的阳极分析与优化

以聚集体模型描述催化层结构,自由堆积球模型计算催化层的有效质子和电子传导率,建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维稳态数学模型,目的是研究阳极结构和工作条件的优化。模型方程涉及气体传输、质子和电子传导以及电化学反应等过程。一致的实验数据和模拟结果验证了模型的有效性。计算结果表明,阳极气体中的水含量在一定范围内会通过膜电导率影响燃料电池性能;阳极扩散层厚度和孔率等对燃料电池无明显作用;阳极催化层中过低或过高的电解质含量会恶化PEMFC的极化行为;阳极催化层的催化剂载量还有进一步降低的潜力。     

PEMFC的自增湿膜电极结构和性能研究

设计并制作了一种新结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)自增湿膜电极。其特点是在催化层和扩散层之间建立水管理层(WML),WML由不同质量比的炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)组成双层结构。为了减小气体反应物的扩散传质阻力,在WML的制作过程中加入了具有高分解温度和高溶解度的(NH4)2SO4造孔剂。用单体PEMFC的电流密度-电压曲线评价了膜电极在外增湿和自增湿方式下的极化特性;用环境扫描电子显微镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构。实验结果表明,所制备的膜电极具有良好的水管理能力,在较宽的电流区域内具有良好的电化学性能。