金属离子对质子交换膜燃料电池性能的影响

研究了金属离子对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响.通过将质子交换膜、电极催化层、扩散层(GDL)在模拟电池生成水的离子溶液(Ca2 、Mg2 、Na )中浸泡不同的时间,考察了Nafion NRE-212膜和催化层中氢离子含量、扩散层的接触角,并通过组装电池比较了处理不同时间的膜、催化层压制成电极后的膜电极性能.结合循环伏安技术分析了金属离子对电极催化层的影晌.实验结果表明随着浸泡时间的增加,膜中和催化层中氢离子的浓度都逐渐下降,当膜中H 浓度降为原来的20%以下时,电池几乎不能放电;而催化层中下降为原来的27%时,电极性能却下降不大.说明在相同浓度的金属离子溶液中,催化层中氢离子受金属离子污染程度比膜受污染程度小.     

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。     

质子交换膜燃料电池集流板的欧姆热效应研究

通过分析研究质子交换膜燃料电池集流板的欧姆热效应,得出了集流板欧姆热方程,并用此方程分析了不同材料、厚度、高度以及引线方式的集流板对其发热量的影响。研究发现集流板的发热量过大,会使得与其相邻的单电池由于温度过高而导致该单电池性能下降。通过对比集流板与电池的发热量,发现在一定条件下集流板的发热量已不能忽略,因而,在实际应用中必须考虑集流板的冷却设计。     

一种质子交换膜燃料电池电位分布的测试方法

采用PC B技术对质子交换膜燃料电池阴极扩散层与集流板之间的电流密度分布及电位分布进行了实验研究,研究了不同电池工作电压下的电流密度分布和电位分布,结果表明,电位分布并不是均匀分布,而是有一定的分布特点。另外,电流密度的分布与电位分布并不具有一致性,这说明在质子交换膜燃料电池的研究中,电位分布的研究也可能成为一种判断电池性能好坏的标准,并有可能与电池极化曲线、电流密度分布一起成为确定电池工作状况的标准。     

质子交换膜燃料电池阴极数学模型

Ｓｔｅｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程用于氧在扩散层内传递;稳态连续方程和Ｆｉｃｋ 第一定律分别用于氧在催化层内气体通道和电解质膜中传递,采用一维宏观均匀模型,建立了质子交换膜燃料电池氧电极的数学模型。给出了反应速度和氧气浓度在催化层内分布,并分析了各种参数对氧电极性能的影响。结果表明：（１）当催化层内气相孔隙率为０．０１以上,则氧在催化层内浓度分布就趋于均匀;（２）催化层厚度为２５ μｍ 左右最佳,过厚影响传质,过薄不能提供足够的反应界面;（３）提高催化层内质子电导和催化剂的有效表面积将极大地提高电极性能;（４）低电流密度时,反应在催化层内分布均匀;高电流密度时,反应集中在催化层靠近扩散层一则。     

蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟

为了研究蛇形流场质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出性能,分析其性能的影响因素,寻找改善其性能的方法和途径。基于多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,建立了包括阴阳极流道、扩散层、催化层及质子交换膜在内的完整的PEM燃料电池三维全流场稳态模型,在COMSOL中利用该模型对蛇形流场PEMFC进行了数值模拟和分析。模拟结果得出了在工作电压为0.7 V的条件下,蛇形流场的流型以及质子交换膜的电导率对PEMFC输出性能的影响。分析表明三蛇形流场的性能优于单蛇形流场;随着质子交换膜电导率的增大,膜内传质得以改善,可以降低传质过程中的电阻损耗,提高燃料电池的性能。模拟结果对于改善PEMFC整体性能有着重要的指导意义。     

掺杂SiO_2对PEMFC低湿度性能的影响

采用磺化SiO2/Nafion自增湿膜作为质子交换膜,采用掺杂了纳米SiO2或经过磺化处理的SiO2的催化层作为阴极催化层,考察了饱和增湿条件下由自制质子交换膜和阴极催化层组成样品的接触角和质子电导率。在饱和增湿进气条件下考察了其对电池性能,电化学特性的影响,同时降低进气湿度,考察电池性能变化。结果表明,掺杂SiO2提高了催化层的亲水性;掺入纳米SiO2降低了阴极催化层的质子电导率,而掺入磺化SiO2提高了其质子电导率。在饱和增湿进气时,采用磺化SiO2/Nafion自增湿膜大幅地降低了电池的欧姆电阻。采用自增湿膜同时阴极催化层内掺入纳米SiO2降低了电池性能,而掺杂磺化SiO2电池性能有所提高。在干气进气条件下,不论是单独采用磺化SiO2/Nafion复合膜还是在阴极催化层加入纳米SiO2或者磺化处理过的SiO2,电池性能均有所提高。     

微流体流道耗尽边界及交界扩散层的设计研究

微流体燃料电池的流道集合了传统燃料电池的核心部件(电极、集流板、质子交换膜)及功能(燃料的传输、生成物的转运),由此可见微流体电池的结构形式对其性能的重要性,而受结构影响较大的耗尽边界层及反应液交界面扩散层厚度很大程度上制约了微流体燃料电池性能的提升。介绍了几种控制耗尽边界层及反应液交界面扩散层的微流体燃料电池结构,并说明了这些结构在解决问题的同时所带来的"副作用",为微流体燃料电池结构设计提供一定的参考。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件研究

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件。系统地研究了MEA的组成和结构对其性能的影响。研究提出:催化层中掺杂Nafion聚合物的亲水电极比传统的催化层中掺杂PTFE的疏水电极性能有了较大的提高;不同种类质子交换膜对MEA的性能影响很大,Nafion112和Dow膜是目前比较适宜的质子交换膜;采用石墨类碳纸的电极性能高于采用碳纤维类碳纸的电极;电极催化层中Nafion聚合物的最佳含量比为30%左右。根据氢电极和氧电极反应难度的不同,提出为了减少催化剂的用量同时不显著影响电池的性能,氢电极的铂载量应该低于电极的观点,并通过了实验验证。     

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。     

PEM燃料电池迷宫流场双极板的电化学性能研究

双极板流场结构对质子交换膜PEM(proton exchange membrane)燃料电池的电化学性能至关重要。基于双极板的工作原理和有限元分析FEA(finite element analysis)理论,设计了一种用于PEM燃料电池的新型迷宫流场结构双极板,通过建立包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、迷宫流场结构双极板和流道在内的完整PEM燃料电池的三维模型并进行数值分析,研究具有该迷宫流道结构双极板PEM燃料电池的电化学性能。此外,还制备了具有该迷宫结构的石墨双极板试样并进行电化学性能实验。研究结果表明,在保持PEM燃料电池其他参数一致时,具有迷宫流场双极板的PEM燃料电池有较大的功率密度,其最大值为520.283 mA/cm2,实验结果与模拟结果一致,验证了数值模拟的可靠性。     

Short-term reliability equivalence algorithm for flexible transmission equipment

Flexible power transmission are based on power electronic elements with series/parallel configuration and redundancy design. Because of the limited time span, fast replacement, and not fully reliable redundant elements due to unexposed failure, it is better to describe their reliability level with short-term evaluation instead of long-term evaluation. In short-term evaluation, the reliability of flexible transmission equipments is time-dependent, and decided by the initial state and the evaluation period, which is different from its steady-state value.In this paper, instantaneous state probability and unavailability for multi-state system within limited evaluation period are described analytically, and equivalenced with the average values. The algorithm is based on state transition matrix, and suitable for systems with different configurations. For systems with series or parallel elements, the steady–state and average unavailability are quantified, and compared with the existing method of multiplying the (un) availabilities each element directly. It is found that due to simultaneous failure and state transition, the existing method may yield error to the fixed and time-variant terms of the average unavailability.     

孤岛模式运行下含潮汐发电和电池储能的微电网可靠性评估

提出了一种孤岛模式运行下的含潮汐发电和电池储能的微电网可靠性评估模型。利用潮汐流速历史数据建立了24个时段潮汐流速分布模型,同时考虑了潮汐流速因季节变化的影响,并结合机组功率输出特性曲线得到机组多状态模型。根据负荷、机组多状态模型和电池储能系统性能参数建立了电池储能系统功率输出模型。在含潮汐发电和电池储能的微电网中应用所提出的模型,评估了其在孤岛运行下的可靠性,验证了模型的有效性。研究表明,电池储能设备性能参数对微电网可靠性影响较大,同时负荷的增长会降低系统可靠性。     

用于储能系统锂电池pack热设计的仿真计算与实验研究

以26650电池为研究对象,针对用于100 kW·h/480 V储能系统的锂电池pack进行模块化结构设计、数值模拟和试验研究。根据储能系统对电池子系统模块温度一致性、电压电流一致性、机械可靠性、装配工艺性以及模块标准化要求,运用CFD流体传热计算机数值仿真模拟和实验方法对电池模块、集流板以及电池机柜的关键参数进行分析研究。研究表明:合理的电池间隙不仅让冷却风与每个电池进行充分热交换,还能改善风冷通道、减少模块体积;增加斜板设计可以使模块内部各电池组冷却均匀,有效解决电池因热累积带来的温升过高问题;集流板优化设计可以改善电池单体外连接件电阻的一致性,从而改善充放电电流、电压的一致性。为电池模块的开发、大规模储能系统集成以及研制满足国际技术要求兆瓦级储能系统提供参考。     

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。     

锌-氧电池中氧催化电极透气的性能

采用不同添加量的造孔剂,制备锌-氧电池中氧催化电极.用自制透气试验装置及BET方法,分析了试验电极透气量数据和带疏水透气膜的催化电极的透气性能.发现疏水透气膜的透气量与造孔剂量符合指数函数关系,为制作微孔结构的疏水膜和微孔电极提供新的构思启示.锌-氧电池耗氧量的计算结果显示,试验中制备的催化电极可以满足大功率锌-氧电池放电时对电极透气性能的要求.     

基于蒙特卡洛模拟的分布式风光蓄发电系统可靠性评估

为了计及蓄电池对分布式发电系统可靠性的影响,应用铅酸蓄电池两池模型,提出了一种更加精确的分布式风光蓄发电系统可靠性评估的蒙特卡洛模拟方法。首先针对提出的3种不同充电策略,建立了考虑外部系统容量限制下蓄电池荷电状态的时序变化模型。其次,采用状态持续时间序贯抽样方法,模拟分布式发电系统各元件的时序状态,进而计算相应的可靠性指标。通过算例分析,验证了该方法的有效性和实用性,并详细分析了外部系统容量、分布式电源容量、蓄电池容量以及蓄电池充电策略对分布式发电系统可靠性水平的影响。     

基于支持向量回归的变电站蓄电池退化趋势预测

蓄电池是变电站电源重要组成部分,为直流系统提供稳定可靠供电。但运行中的蓄电池长期处于浮充状态,难以在线测量其最大荷电容量,容易出现蓄电池退化导致的储能不足,变电站保安电源中断和保护系统供电中断等问题。为准确预测铅酸蓄电池退化趋势,本文提出一种计及浮充和均充影响的蓄电池退化趋势预测方法。采用集合经验模态分解法（EEMD）将随时序变化的蓄电池健康状态特征量进行模态分解,然后将退化特征量模态分解的结果作为输出、电池浮充时长和均充次数作为输入代入支持向量机（SVM）完成预测模型的训练。以数据驱动的方法建立蓄电池使用计划与退化趋势之间的相关性,从而最终实现蓄电池退化趋势的预测。仿真实验结果表明,本文所提方法可有效预测蓄电池在使用计划内端电压和内阻等健康状态特征量的变化,为变电站的直流系统的合理运维提供依据。     

基于可溶性铅(Ⅱ)离子电解液的铅酸液流电池

使用恒流充放电方法研究了电流密度、负极集流体材料(石墨、紫铜和镍)及电解液中甲基磺酸浓度对铅酸液流电池充放电性能的影响.结果表明:大电流密度下工作时由于极化作用,电池的性能下降较大;使用紫铜为负极集流体的电池性能较高;随电解液中甲基磺酸浓度的增加电池的库仑效率轻微下降,电压效率小幅上升.     

质子交换膜燃料电池极限电流密度分析

从分子运动理论出发,考虑扩散层对传质影响,按照扩散规律,建立一定的模型,对氢氧质子交换膜燃料电池的阴极和阳极极限电流进行了理论研究和具体计算。结果表明：极限电流都随扩散层厚度的增加而显著下降。在温度为60℃、压强为1个标准大气压的标准状态下,扩散层厚度为零时,氢气和氧气的极限电流密度最大分别为2.18×10^5A/cm^2与5.45×10^4A/cm^2;当扩散层厚度为0.2mm时,极限电流密度分别降至1.5×10^3A/cm^2和2.2×10^2A/cm^2。