高温车用燃料电池的发展及现状综述

燃料电池车以其能量转化效率高、绿色环保、噪音低等优点，被认为是替代传统化石能源汽车最有前景的新能源汽车。目前车用燃料电池的工作温度一般都低于80℃，低温的工作环境使其面临着诸多问题，如复杂的水管理和CO中毒等。通过提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作温度可以缓解这些问题，提高燃料电池的性能。然而，高温的工作环境也会对燃料电池带来诸多挑战，如膜脱水、催化剂团聚、冷启动速度缓慢等。要促进高温（90～120℃）车用燃料电池的快速发展，需要对其问题及解决方法进行分析。本文从电堆比功率、膜电极、双极板、进气方式、加湿方式等方面，介绍燃料电池的发展现状及存在的问题，包括Nafion膜和催化剂的热稳定问题、双极板的耐腐蚀问题、流道的气体分配问题、进气方式和加湿方式的优化以及冷启动问题。指出通过掺杂亲水性氧化物改善Nafion膜的高温性能；将Pt合金化及采用介孔炭提高催化剂的稳定性和电化学活性；镀层不锈钢金属双极板可以增强耐腐蚀性；3D流场等新型流场结构及提高进气温度、速度可以提高气体的均匀性；采用自增湿方式可以简化电堆结构等解决方法，以期对燃料电池车的进一步发展起到引导作用。     

风冷金属双极板燃料电池冷启动性能研究

风冷金属双极板质子交换膜燃料电池因其结构简单,响应快等特点,广泛应用在便携式电源上,冷启动是制约风冷金属双极板燃料电池商业发展的一个重要影响因素.提出了一种在风冷金属双极板燃料电池阴极流道铺设电阻丝预热冷启动方案.结果表明:通过电阻丝加热,电池在3 min之内从-40℃升温至冰点以上.采用交叉布置方式的电热丝热量利用效率高,加密单层电热丝铺设数量以及加密端板附近的电热丝铺设层数均对电堆整体温升均匀性有重要意义.     

质子交换膜燃料电池强化传质

传质问题制约着燃料电池性能的提高。通过理论分析、Fluent模拟,针对质子交换膜燃料电池流道中加凸台和电极扩散层开孔两种方法,分别研究其对强化电池内部传质的效果。结果表明,上述两种方式均能有效强化电池内部传质,提高电池性能。但是加凸台增加了风机的寄生功率,综合性能提升不显著。     

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。     

PEMFC流道中重力辅助排水的机理研究

以质子交换膜燃料电池流道中的液滴为研究对象,考虑了吹力、重力以及粘滞力的影响,从力平衡的角度出发建立了液滴从扩散层表面脱离的临界风速及半径的关系,得出了不同的重力倾角和工作压力对临界风速的影响.研究表明:在水平流道中,临界风速受温度的影响不大,而随工作压力的增大而减小;增大重力倾角有利于提高电堆的排水能力;小液滴脱离的...     

闭口氢-氧PEM燃料电池非稳态运行研究

建立了闭口氢-氧质子交换膜燃料电池的三维非稳态数学模型,研究了不同操作压力条件下,电池的运行特性及内部各参数的变化情况.结果表明:闭口电池的性能随着运行时间的增加逐渐下降,且阴极侧氧气不足是导致电池衰减的主要原因;在较高的操作压力下,电池可以维持工作更长的时间.     

质子交换膜燃料电池强化传质

传质问题制约着燃料电池性能的提高。通过理论分析、Fluent模拟,针对质子交换膜燃料电池流道中加凸台和电极扩散层开孔两种方法,分别研究其对强化电池内部传质的效果。结果表明,上述两种方式均能有效强化电池内部传质,提高电池性能。但是加凸台增加了风机的寄生功率,综合性能提升不显著。     

基于尾气冷凝的质子交换膜燃料电池除湿机制研究

水管理是影响质子交换膜燃料电池性能和寿命的一个重要因数。本文通过分析燃料电池中水分分布特性,提出尾气冷凝除湿机制,并研究电池中过余水分的移除能力的影响因数,结果表明:尾气冷凝可有效去除电池中过余的水分,降低电池尾部的水淹机率。过量系数越大,冷凝温度越低,除湿能力越强。但若过度冷凝,会导致质子交换膜失水,电池性能下降。     

旋流叶片传热管内湍流强化传热数值模拟

基于管内核心流强化传热原理,在管内核心流布置旋流器以实现强化传热.建立了强化管内流体流动与传热的数学模型,结果表明:在强化传热管内布置旋流器可以显著强化湍流换热,而且其流动阻力增加幅度不大.当旋流器距圆管人口200mm,Re数为6000时,强化传热管的PEC值可达1.7.     

固体氧化物电解池共电解H_2O-CO_2的发展与应用研究

以CO_2和H_2O为电解原料的共电解技术既可以发挥固体氧化物电解池(SOEC)的优势,又可以捕集、利用CO_2,将其转变为合成气(CO+H_2),实现碳在CO_2和合成气之间的中性循环,对环境保护有着重要的意义。共电解技术还能实现能源的高效存储以及可再生能源向液体碳氢燃料的转变,在未来能源系统中将会扮演重要角色。文章对SOEC共电解技术的基本原理、材料、研究历程和各国的研究现状等方面进行分析和介绍,特别对共电解技术在能源领域的系统化应用研究做了总结,并对其在能源系统的应用做了展望。