质子交换膜燃料电池数学模型的现状与发展

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)至今已有的各种数学模型。根据PEMFC的组成结构、工作原理进行了模型分类。重点以PEMFC的组成结构分类法,分析了各组成元件、单电池及电堆数学模型的建模方法、模型特点及模型研究结果。分析结果表明:质子交换膜燃料电池数学模型应在其实用性、简单化和更真实反映电池动态工作过程等方面做进一步的研究。     

高功率密度质子交换膜燃料电池研究

采用低铂载量E TEK电极组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,研究了质子交换膜厚度、电极立体化的聚合物电解质Nafion含量和操作条件对PEMFC性能的影响 ,同时对电池进行了稳定性试验。实验发现 :(1)使用薄膜电解质(Nafion 112 )显著提高了电池性能 ;(2 )电极立体化的Nafion含量为 0 .9mg/cm2 时性能最佳 ;(3)提高电池温度和气体压力有利于改善电池性能 ;(4 )Nafion 112膜和低铂载量E TEK电极组装的PEMFC稳定性良好 ,在 90 0h内未见电池性能下降 ,且质子交换膜和电极之间相互结合良好 ,无断裂或分层现象发生     

基于两相混合流理论PEMFC含水量特性分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)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之一。采用气液两相层流假设,使用两相混合流理论,建立了单流道常规流场质子交换膜燃料电池阳极出口端封闭的三维两相流等温数学模型,对三维空间中水的两相传递和分布特性进行分析,探讨不同湿度、不同温度下电极中液态水饱和度以及含水量的浓度变化。     

Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用不同厚度Nafion膜 (Nafion 117,115 ,1135 ,112和 10 1)组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,通过测试电池极化曲线 (U/I) ,研究Nafion膜厚度对PEMFC工作性能、氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 ,通过线性回归分析不同厚度Nafion膜组装PEMFC的内阻计算了Nafion膜材料的电导率。实验结果表明 :( 1)降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻 ,从而有利于提高PEMFC的工作性能 ;( 2 )随着膜厚度的降低 ,U0 值有降低的趋势 ,Tafel斜率b值变化不明显 ;( 3)厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 ,其主要原因是质子传质极化引起的 ;( 4 ) 80℃时Nafion膜材料的电导率约为 0 .0 77Ω-1·cm-1。     

质子交换膜燃料电池的热模拟

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的热问题模拟现状,根据研究问题的需要,对模拟相关的模型进行了描述,并应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟。从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论,得出了结论:热源、温度在质子交换膜电池内部分布的不均匀性和不同电流密度情况下膜电极组件的温差。电池性能曲线与试验结果进行了比较,模拟与试验结果基本吻合。     

PEMFC关键组件的研究进展

膜电极和双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键组件。研究和开发新型的关键组件,是PEMFC实现产业化的必要条件。介绍了PEMFC关键组件的最新进展,讨论了各种材料和结构对电池性能的影响。     

质子交换膜中质子传递机理研究进展

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分,质子交换膜的电导率与质子传递特性密切相关。分别对水分子和其他非水载体如杂环化合物等参与的质子传递机理的研究进展进行了综述,并介绍了新的实验测试方法以及分子模拟技术在质子传递机理研究中的应用。     

30 kW高比功率质子交换膜燃料电池堆研制

30 kW高功率密度质子交换膜燃料电池堆的研制工作主要包括:(1)建立测试大功率质子交换膜燃料电池单电池或电池堆的工作站;(2)大功率高比功率质子交换膜燃料电池堆的工程设计;(3)组装单电池 ,建立诊断、测试并改进质子交换膜-电极(三合一体)效能的技术;(4)组装30 kW电池堆,并建立诊断、测试、改进其效能的技术.神力公司研制成功的30 kW质子交换膜燃料电池堆比功率达到:720 W/L,708 W/kg.     

蛇形流场PEMFC的三维多物理场数值模拟

对质子交换膜燃料电池进行了三维多物理场建模。在多物理场建模的基础上,通过COMSOL Mutiphysics中的4种应用模式,利用电流平衡、质量传输方程和动量传递方程等去模拟PEMFC的膜电极(MEA)中阴极侧和交换膜上的工作状态,分析了膜电极阴极侧上的压力分布、气体质量分数分布、气体速度场分布以及电流密度分布等,为蛇形流场PEMFC提供了全面的性能分析和设计上的理论依据,最后通过设计上的改进,解决了该电池的水淹问题。     

阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池--水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据.模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律.通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上.建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实.     

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。     

PEMFC空气膜增湿系统的性能

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和膜增湿器一维性能分析模型,模拟了空气流量、压力和温度等条件对PEM FC及膜增湿器性能的影响,模拟结果与实验数据吻合良好.根据模型对PEMFC膜增湿系统的非稳态性能进行了预测.空气进气温度的动态响应特性对膜内水含量梯度的影响显著,对膜内水的扩散系数几乎无影响.     

可逆质子交换膜燃料电池研究进展

可逆质子交换膜燃料电池(RPEMFC)是一种在同一装置上实现水电解(充电)和燃料电池发电(放电)两种功能的储能电池。随着PEMFC技术的迅速发展,RPEMFC开始引起人们更多关注。介绍了它的工作原理,对电催化、膜电极(MEA)制作、电池性能以及应用等方面的研究进展进行评述。双效氧电极(氧还原和氧气析出)是RPEMFC的技术关键,但其电催化剂的双效高活性功能以及稳定性还没有得到很好解决。由于它的理论比能量高(可达3 600 Wh/kg),可靠性好,并且寿命长,因此RPEMFC在许多蓄电池的应用领域,特别是对质量有严格限制的场合(如航天飞机和太阳能飞机等),将得到广泛应用。     

两种分块化PEMFC模型的仿真比较分析

分块化方法是将单片质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)沿阳极和阴极流道划分成15个连续的子模块;然后将每个子模块视为1个独立的PEMFC集总模型,用第n个子模块的输出(即气体摩尔流量和压力)作为第n+1个子模块的输入;最终获得单片PEMFC内部的电流密度分布和膜中水含量分布。基于此建模方法,分别建立了稳态和动态的分块化PEMFC仿真模型。仿真结果对比表明,动态分块化PEMFC模型不仅能预测电流密度分布和膜中水含量分布,还能较为合理地描述PEMFC的动态特性。     

质子交换膜燃料电池膜电极活化工艺及机理

通过质子交换膜燃料电池膜电极三种活化工艺即恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化的对比研究得出 :强制活化 (包括恒流强制活化和变流强制活化 )优于自然活化 ;在强制活化工艺中 ,变流强制活化优于恒流强制活化 ;而且变流强制活化所用的时间相对于恒流强制活化及恒流自然活化均大大缩短 ,是一种比较好的活化方法 ;膜电极的活化过程不仅仅是一种质子交换膜的加湿过程 ,而且是一个包括电子、质子、气体和水的传输通道的建立以及电极结构的优化的复杂过程。     

质子交换膜燃料电池设计与制作

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置,当外部持续供给燃料和氧化剂时,燃料电池可以连续发电。以小功率质子交换膜燃料电池为设计目标,介绍了燃料电池的工作原理,对双极板结构、膜电极、绝缘板、密封装置、散热装置、集流装置、电压调整功率模板等重要部件及质子交换膜燃料电池整体结构进行了设计。通过样机测试,参数达到了设计要求,并进一步讨论了设计要点。     

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。     

PEMFC膜电极组件关键材料的回收

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极组件(MEA)的结构及关键材料做了介绍,综述了MEA关键材料的回收方法。认为超临界流体法较好;醇分离法和浸渍分离法如能作进一步改进,也值得考虑。     

质子交换膜燃料电池技术进展

通过对近年来燃料电池专利的研究 ,对质子交换膜燃料电池 (PEMFC)研究中的关键问题 ,如聚合物电解质薄膜、催化剂、电极和电极膜组件制备工艺、流场的设计模式等进行分析 ,简单介绍了聚合物电解质薄膜、高活性催化剂、高性能电极和电极膜组件的制备工艺以及流场设计模式的发展和现状。指出提高电极的交换电流密度 ,降低电池的内阻是提高电池性能的基础 ,合理的流场设计模式是电池整体性能稳定的保障 ,各个因素相互影响。     

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。