质子交换膜燃料电池的发展现状

简要叙述了质子交换膜燃料电池的发展历史,介绍了高效、新型电催化剂、新型质子交换膜、新型双极板与流场的研究、应用、开发等关键技术,并对质子交换膜燃料电池的发展前景进行了展望。     

质子交换膜燃料电池温度和电流分布同步测定

发展了一种新的质子交换膜燃料电池（PEMFC）局部特性测试方法,该方法实现了在不改变PEMFC膜电极和电池结构的情况下对PEMFC电流密度和局部温度分布的同步测量。对一种PEMFC在自然冷却状态下,阳极流场板背面温度分布以及阴极电流密度分布进行了实验测定。实验结果表明,阳极流场板背面最大温差小于1℃;电流密度分布主要受电极内液态水分布影响;同时,水蒸气冷凝放热导致电池局部温度升高是造成电池温度分布不均的主要因素。     

质子交换膜燃料电池可视化研究进展

质子交换膜燃料电池(包括氢氧质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池)内的两相流动以及相应的水管理、气管理对燃料电池的性能和寿命有很大的影响,而可视化方法是研究流场槽道内两相流动非常重要的方法之一。可视化实验可以真实地展示气泡或液滴在流场槽道内的生成以及发展过程,有利于了解其进化机制,从而进一步优化气管理、水管理并提高电池性能。本文主要综述了质子交换膜燃料电池两极流场内两相流动的可视化研究进展,讨论了扩散层的润湿性以及扩散层内水的传递机理,还介绍了实现可视化的方法,并提出了可视化研究的不足及发展方向。     

免增湿型空气自呼吸燃料电池的研究进展

空气自呼吸质子交换膜燃料电池是一种主动吸取空气的燃料电池装置,由于本身的高能量转换效率和反应产物环保的优点被广泛应用在各种移动供电系统中。但是空气自呼吸质子交换膜燃料电池正常工作需要面对一系列问题,包括防止反应气体泄漏、电化学反应生成水的管理、热量的扩散和能够长时间稳定工作以及由于反应气体的不充分湿润和质子交换膜内水分子的电渗,扩散和蒸发作用造成的质子交换膜脱水等,这些问题都会严重影响燃料电池的性能表现。因此本文围绕以上的问题介绍国内外的研究情况,包括空气自呼吸质子交换膜燃料电池各组成部件的研究和开发,例如单电池中阴极集流板的开孔样式对氧气运输和水分管理的影响,气体扩散层和双极板的材料选用;通过添加亲水物质或改良催化剂载体等方法制作免增湿膜电极来实现空气自呼吸燃料电池免增湿目的以及改良阴极部件构造使水分在亲水织物材料的毛细管作用下能够合理分布在膜电极周围。通过介绍国内外关于空气自呼吸燃料电池的应用实例,展望了空气自呼吸燃料电池的应用前景和发展趋势。最后对如何提高空气自呼吸燃料电池性能的方法也作出了简单的总结。     

大功率PEMFC空气供给系统建模与实验验证

近年来,质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为车载燃料电池的主要动力源受到广泛关注。空气压缩机为电堆提供系统所需的氧气和阴极压力,是质子交换膜燃料电池系统中必不可少的一部分,其工作性能对燃料电池稳态和动态工作性能有很大的影响。基于实验室已有150 kW质子交换膜燃料电池系统,对离心式空压机的工作特性进行了研究,建立了包含离心式空气压缩机的空气供给系统应用模型。通过实验验证,仿真模型能够准确地反映离心式空压机与空气系统的特性,同时能真实反映包含离心式空压机的大功率质子交换膜燃料电池空气系统的稳态控制效果,以及不同控制策略下的动态响应效果。该模型对研究大功率质子交换膜燃料电池空气供给系统以及相应的控制策略提供理论支持,仿真模型与实验结果为下一步控制策略优化提供基础与参考。     

大功率PEMFC空气供给系统建模与实验验证

近年来,质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为车载燃料电池的主要动力源受到广泛关注。空气压缩机为电堆提供系统所需的氧气和阴极压力,是质子交换膜燃料电池系统中必不可少的一部分,其工作性能对燃料电池稳态和动态工作性能有很大的影响。基于实验室已有150 k W质子交换膜燃料电池系统,对离心式空压机的工作特性进行了研究,建立了包含离心式空气压缩机的空气供给系统应用模型。通过实验验证,仿真模型能够准确地反映离心式空压机与空气系统的特性,同时能真实反映包含离心式空压机的大功率质子交换膜燃料电池空气系统的稳态控制效果,以及不同控制策略下的动态响应效果。该模型对研究大功率质子交换膜燃料电池空气供给系统以及相应的控制策略提供理论支持,仿真模型与实验结果为下一步控制策略优化提供基础与参考。     

质子交换膜燃料电池流场板研究进展

流场板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，其结构直接影响着反应气体的利用效率以及燃料电池的排水及散热性能。综述了近十余年来质子交换膜燃料电池流场板的设计与研究进展。研究者们基于平行流场、蛇形流场、交指流场、点状流场，从流道尺寸、流道截面、进口分配段、流道布置等方面开展结构设计和优化，不同程度提高了燃料电池水热管理以及电性能。此外，各种形式的组合流场可综合不同流场优点，多级分形仿生流场优化了反应物、压力与电流密度分布，三维精细化流场通过改善供气方式降低了浓差极化。     

质子交换膜燃料电池水传递模型

提出了用于研究质子交换膜燃料电池膜中水分布、水传递量分布、电流密度分布等的二维数学模型;系统地考察了电池温度、阴阳极压力差、增湿程度、质子膜厚度等条件对水的传递和膜中水分布的影响.计算结果表明:①阳极增湿能够提高气体进口段膜阳极侧水的含量;②使用越薄的质子膜,越能提高膜中水的含量;③阳极增湿程度越大,由阳极向阴极迁移的水量越多.     

质子交换膜燃料电池冷启动的数值模拟

冷启动是质子交换膜燃料电池（PEMFC）商业化所面临的挑战之一，在PEMFC冷启动实验中，通过中子成像技术已经观测到电池内部存在过冷水，因此本文模型重点考虑过冷水对电池冷启动性能的影响。通过引入结冰概率函数对过冷水结冰过程的随机性进行描述，从而建立了PEMFC冷启动的三维、瞬态和多相流动数学模型。基于该模型，研究电池阴极催化层中离子聚合物的体积分数和质子交换膜的厚度对电池冷启动性能的影响。研究结果表明，增加阴极催化层中离子聚合物的体积分数，可有效促进阴极催化层中的反应生成水向质子交换膜中进行扩散，从而充分利用膜内的储水空间；减少质子交换膜的厚度，能促进质子交换膜中的离聚物水向阳极催化层扩散，在大电流密度工况下可有效缓解阳极的“膜干”现象。     

质子交换膜燃料电池动态过程的数值模拟

为描述质子交换膜燃料电池的动态过程,发展了一个基于计算流体动力学的非稳态、非等温的三维两相流数学模型.应用模型对一蛇形流道结构的质子交换膜燃料电池单体进行了数值计算,得到了电池启动过程中电池阴极侧膜表面温度和电流密度等特征参数的动态过程变化曲线.最后,分析了阴极入口速度、湿度和电池电压阶跃变化后电池特性的动态响应特性.结果表明：电池的启动时间和阶跃响应时间均为秒的数量级,与大多数模型模拟的结果相一致.     

A three-dimensional numerical simulation of the transport phenomena in the cathodic side of a PEMFC

A three-dimensional numerical model is developed to simulate the transport phenomena on the cathodic side of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) that is in contact with parallel and interdigitated gas distributors. The computational domain consists of a flow channel together with a gas diffusion layer on the cathode of a PEMFC. The effective diffusivities according to the Bruggman correlation and Darcy's law for porous media are used for the gas diffusion layer. In addition, the Tafel equation is used to describe the oxygen reduction reaction (ORR) on the catalyst layer surface. Three-dimensional transport equations for the channel flow and the gas diffusion layer are solved numerically using a finite-volume-based numerical technique. The nature of the multi-dimensional transport in the cathode side of a PEMFC is illustrated by the fluid flow, mass fraction and current density distribution. The interdigitated gas distributor gives a higher average current density on the catalyst layer surface than that with the parallel gas distributor under the same mass flow rate and cathode overpotential. Moreover, the limiting current density increased by 40% by using the interdigitated flow field design instead of the parallel one.     

直通道流场PEMFC电流密度分布测定实验

大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减．为提高电池和电池组性能,改善电池内部水管理,优化电极组成、电池操作参数和流场板结构,对电池内部电流密度分布进行测定很有必要．     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

Experimental and numerical study on improvement performance by wave parallel flow field in a proton exchange membrane fuel cell

The performance and operation stability of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are closely related to the transportation of reactants and water management in the membrane electrode assembly (MEA) and flow field. In this paper, a new three-dimensional wave parallel flow field (WPFF) in cathode was designed and analyzed throughout simulation studies and an experimental method. The experimental results show that the performance of PEMFC with WPFF outperforms that of PEMFC with straight parallel flow field (SPFF). Specifically, the peak power density increased by 13.45% for the PEMFC with WPFF as opposed to PEMFC with SPFF. In addition, the flow field with area of 11.56 cm² was formed by the assembly of transparent end plate used for cathode and the traditional graphite plate used for anode. To understand the mechanism of the novel flow field improving the performance of PEMFC, a model of PEMFC was proposed based on the geometry, operating conditions and MEA parameters. The thickness of gas diffusion layers (GDL), catalytic layers (CL) and proton exchange membrane were measured by scanning electron microscope. The simulation result shows that compared with SPFF, the WPFF based PEMFC promote the oxygen transfer from flow channel to the surface of CL through GDL, and it was beneficial to remove the liquid water in the flow channel and the MEA.     

常规流场下各向异性扩散层对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响

为了研究扩散层各向异性对电池性能的影响,以XD=Di,j ^y/Di,j ^x 为各向异性的表征,建立了使用常规流场的质子交换膜燃料电池二维传质模型.考虑了阴阳极内物质的对流和扩散、水和质子在膜内传递以及催化层的电化学反应.利用有限差分法对控制方程进行离散,采用逐次超松驰法求解得到了阴阳极反应气体和水的浓度分布以及催化层电流密度、膜中水含量、膜中电势和电流密度的分布.分析结果表明：在1≤XD≤4时增大XD有利于提高电池性能,但随着XD增大其对电池性能的影响逐渐减小;并且XD对电池性能的影响主要体现在对阴极和膜性能的影响上,其对阳极性能的影响甚微.     

阴极流场设计对空气自然对流小型质子交换膜燃料电池性能的影响

空气自然对流的小型燃料电池不同于强制对流下工作的燃料电池,阴极反应气来源于空气的自然对流.由于这一自然对流的特性,电池内部的质量、能量、动量以及电化学反应方程存在着极强的耦合关系.从水、热管理的角度,考虑了电池内部的流动、电化学反应、热和质量的传输,以及它们之间的相互关系,建立了空气自然对流下的质子交换膜燃料电池的二维数学模型. 针对不同的阴极流道宽度和间隔宽度,对温度、流动速率、分压以及电化学性能参数等进行了计算,分析了这些参数之间的相互影响.有助于理解电池内部现象之间的相互关系,对燃料电池双极板和电池结构设计有指导意义.     

Experimental study on the effect of reactant flow arrangements on the current distribution in proton exchange membrane fuel cells

Current distribution in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is significantly influenced by reactant flow configurations. In this study, the current distribution has been measured experimentally using a segmented flow-field plate and printed circuit board (PCB). Local current distributions for a PEMFC with serpentine flow field and three different flow arrangements including co-flow, cross-flow, and counter-flow arrangements for the anode and cathode streams are investigated along with the effect of flow channel orientation. It is shown that the counter-flow arrangement yields most uniform distribution for the current density, whereas the co-flow arrangement results in a considerable variation in the current density from the reactant gas stream inlet to exit. Flow channel orientation can also impact the cell performance and the current distribution appreciably. The limiting hydrogen concentration at the anode side due to the low stoichiometry condition can have a predominant effect on the current distribution and cell performance.     

质子交换膜燃料电池膜中气态水管理模型

分析质子交换膜燃料电池的膜水含量与运行参数的关系,从工程方法的角度建立水传输模型.模型分析得到,要提高膜的水合程度,需要通过增湿反应气体.过高的增湿反应气体又会引起阴极扩散层水的泛滥,需通过调节反应气体流量来缓解水的泛滥.为保证膜的高水合程度和低的阴极扩散层水的泛滥,建立了膜水含量的神经网络控制模型,为电池水管理奠定了基础.     

阴、阳极加湿程度对PEMFC内部传质的影响

为了研究常规流场下阴、阳极增湿程度对电池内部水分布、传递、膜性能及水拖曳系数等的影响,对PEMFC进行二维建模,应用控制容积法对控制方程进行离散,然后求解,得到了电池内部水和反应气浓度、速度分布、膜中电流密度、电势分布及膜中水分布,考察了气体不同增湿程度对质子交换膜电导率及电池内部传质的影响.结果表明,PEMFC中水综合拖曳系数随着阳极加湿程度的增加而增大,随阴极增湿程度的增加而减小,但阳极增湿对水综合拖曳系数的影响比同增湿程度下阴极增湿对水综合拖曳系数的影响大得多.同时,随着阳极加湿程度的升高,质子交换膜（PEM）电导率急剧升高,而阴极加湿程度对PEM电导率的影响只是停留在较小的电流范围之内.故PEMFC在小电流密度工作时,应该使阳极气体充分增湿;而在大电流密度工作时,应该适当降低阳极的增湿程度以降低阴极两相流的机会,从而改善阴极的传质状况.