高温高压条件下质子交换膜燃料电池性能仿真模型与实验研究

质子交换膜燃料电池PEMFC在航空飞行器上应用时,需要提高工作温度与进气压力,以提高系统功率密度。本文基于Nafion^?膜的10 kW电堆作为研究对象,通过宏观半经验模型和实验手段,研究了PEMFC在高于常规运行温度和压强下的运行状况与发电性能的关联关系,并通过净水迁移系数表征水在膜内的传输过程。该研究为PEMFC性能改善提供可靠依据,并指导后续PEMFC在航空领域的开发应用。     

PEMFC电化学氢泵活化方法及其强化机制

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)通常需活化才能发挥其最佳性能。与传统的活化方法相比，电化学氢泵可以节约时间和氢气成本。电化学氢泵是一种使氢气在阳极氧化成质子，然后质子在外加电场作用下迁移到阴极并且被还原成氢气的方法。借助极化曲线测试、交流阻抗测试和循环伏安测试等方法研究电化学氢泵活化后PEMFC的发电性能、内部阻抗和催化剂电化学活性比表面积(electrochemical specific area, ECSA)的变化，进而分析其活化机理。此外，研究不同电流密度、进气湿度和活化温度对氢泵活化效果的影响。结果表明：氢泵活化后，燃料电池发电性能显著提升，Tafel斜率降低，电荷传输阻抗和质量传输阻抗降低，欧姆阻抗基本不变，ECSA增加，因此氢泵活化机制与催化剂活性物种数量、催化层微观结构有关。在电流密度200 mA·cm^-2下氢泵活化的效果强于100 mA·cm^-2。在进气湿度为150%RH下氢泵活化的效果强于100%RH和200%RH。另外，活化温度对氢泵活化效果的影响不大...     

固体氧化物燃料电池/燃气轮机混合动力系统建模仿真研究进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)工作温度高，阳极可发生燃料内重整反应，具有较高的燃料灵活性，同时可与燃气轮机(Gas Turbine, GT)构成固体氧化物燃料电池/燃气轮机(SOFC/GT)混合动力系统进一步提高系统效率。SOFC/GT混合动力系统一般分为底层和顶层循环2种，考虑到SOFC/GT示范性工程有限且建造成本高，一般采用数学建模仿真方法开展SOFC/GT研究。与单独SOFC或GT模型不同，常采用热力学建模仿真对SOFC/GT系统性能进行分析优化。介绍了SOFC/GT混合动力系统常用热力学模型，并对目前SOFC/GT混合动力系统常见稳态和动态热力学建模工作展开综述，考虑到现阶段SOFC/GT混合动力系统多采用商业化软件(Aspen Plus、COMSOL、gPROMs等)建模，建模功能有限、不易拓展，后续工作可基于Matlab、Python等软件进行开源代码的编程；现阶段主要围绕系统级集总模型开展分析，无法准确描述燃料电池的局部特性，后续工作可在SOFC/GT建模中引入一维甚至更高维度的SOFC模型进一步提高建模精度。