空气流量对空冷燃料电池电堆性能的影响研究

空冷型氢燃料电池采用开放型阴极,具有自增湿、系统简单轻便等特点。为了揭示空气流量对输出性能的影响机制,对自组装的800 W空冷型燃料电池电堆进行了实验测试和数值分析,对比了不同空气风扇转速下电堆输出电压、净功率以及传质传热特性。结果表明：小电流条件下小空气流量可以保持电堆内较高的温度,减少活化损失,实现高净输出功率。然而,大电流条件下,小空气流量将导致电堆温度过高且分布不均匀。利用数值方法对组分和温度分布进行了可视化分析,结果表明低含水量引起的欧姆损失增加是限制输出功率的关键因素,通过提高风扇转速增加空气流量可以保证较好的冷却效果,从而提高含水量,减少欧姆损失。     

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膜电极结构与设计研究进展

膜电极（MEA）为质子交换膜燃料电池（PEMFC）提供了电子、质子、反应气体和产物水等多相物质传递和电化学反应的重要场所。设计和制备具有优异特性的MEA对提高PEMFC的性能,降低制造成本,加快其商业化应用是至关重要的。本文首先对PEMFC的反应机理进行了分析,接着从气体扩散层（GDL）、催化层（CL）、质子交换膜构造（PEM）3个方面阐述各部件在MEA中的作用,归纳总结了各部件的制备方法、传热传质方式、仿真模型、构效关系以及优缺点,最后对影响MEA的各种因素进行了总结,并且结合目前涌现出的许多新兴技术对PEMFC的发展进行了展望。本综述对未来高性能、长寿命和低成本的MEA开发具有指导意义。     

被动式直接甲醇燃料电池的性能影响因素研究

研究了制约被动式直接甲醇燃料电池(被动式DMFC)性能的因素。通过测定电池的极化曲线、功率密度曲线、长时间放电曲线等手段研究了被动式甲醇燃料电池在不同阴极供料方式、不同阳极供料方式、不同催化剂载量、不同电池温度等条件下的放电特性。测试结果表明:阴极氧气扩散速率较慢是导致被动式电池性能较低的一个主要因素,阴极采用主动进料时电池的性能相比被动式DMFC提高了23.5%,最大功率密度达到8.4mW?cm?2。而且阴极的水淹问题也制约了被动式DMFC的长时间放电性能。提高阴阳极的催化剂载量能显著提高电池的性能,阴阳极催化剂载量为4.0mg?cm?2时,最大功率密度达到11.4mW?cm?2。但是催化剂载量的提高会影响电池的长时间放电性能,特别是,提高阴极催化剂载量能显著提高电池的温度,所以能较大提升电池的性能。     

流道布置对风冷燃料电池性能影响的研究

风冷燃料电池在无人机上应用具有较大的优势,但其仍然面临着性能低、水热管理复杂等问题。采用数值模拟研究了阴阳极流道顺流、逆流以及交叉流布置方式对风冷燃料电池性能的影响,讨论了各物理量之间的耦合机制。研究发现阴极流道布置对风冷燃料电池关键物理量分布影响显著,受水含量分布不均影响,交叉流布置催化层中电流密度呈现孤立点状分布,相较于顺流流道布置与逆流流道布置,交叉流流道布置具有较好的热管理特性,能够显著提高膜电极中水含量,继而提升风冷燃料电池性能,在0.6 V操作电压下,交叉流流道布置电流密度相比较顺流流道设计提升了约20%,此外研究还发现,环境相对湿度的降低会显著降低风冷燃料电池性能。     

燃料电池发动机电堆散热的控制

在对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行热分析的基础上,搭建起36kW的燃料电池发动机散热系统的测试平台。借助测试平台,对燃料电池散热系统作了极端工况测试分析。分析表明,该散热系统能满足系统的散热要求。此外通过对不同组合散热风扇的散热能力进行了测试,积累了大量的基础数据和控制经验。最后以电堆出水温度误差、温度误差变化量和燃料电池功率为输入量,散热风扇的运行组数为输出量,制定出一套三维模糊控制规则。结果表明,该模糊控制规则能够保证燃料电池工作在最佳温度区间,温控误差符合设计要求。     

流道布置对风冷燃料电池性能影响的研究

风冷燃料电池在无人机上应用具有较大的优势,但其仍然面临着性能低、水热管理复杂等问题。采用数值模拟研究了阴阳极流道顺流、逆流以及交叉流布置方式对风冷燃料电池性能的影响,讨论了各物理量之间的耦合机制。研究发现阴极流道布置对风冷燃料电池关键物理量分布影响显著,受水含量分布不均影响,交叉流布置催化层中电流密度呈现孤立点状分布,相较于顺流流道布置与逆流流道布置,交叉流流道布置具有较好的热管理特性,能够显著提高膜电极中水含量,继而提升风冷燃料电池性能,在0.6 V操作电压下,交叉流流道布置电流密度相比较顺流流道设计提升了约20%,此外研究还发现,环境相对湿度的降低会显著降低风冷燃料电池性能。     

常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池传热传质三维模拟

针对常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型。模型详细考虑了电池内部的传热、传质和电化学反应，重点考察了多孔介质内的组分传递和膜内水的电渗和扩散作用，对氧气传递限制和膜内水迁移对电池性能的影响进行了分析和讨论。结果表明，流道的交指型设计加强了气体在多孔介质内的质量传递，提高了电池的输出性能，但相应地，阴极催化层界面水分的减少也使得膜的水合程度降低，这就需要更有效的水管理来防止膜脱水。     

基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆启动特性

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）运行温度约160℃,较传统低温电池具有更佳的电化学反应动力学、更简单的水热管理和更高的CO耐受性等优势。但运行温度提高,如何实现HT-PEMFC的快速预热启动成为制约其应用推广的重要挑战之一。当前工作中,针对一个额定功率为500W的HT-PEMFC电堆,尝试利用一种平板热管（FHP）对该电堆进行预热启动。设计搭建了实验装置,从预热时间、温度分布、传热量分布等方面对这一方法进行评估。实验结果表明,提高加热功率可以显著缩短预热时间,500W时预热耗时3000s,1500W时则仅需980s;但同时也造成温度均匀性出现恶化,500W时竖直方向最大温差约28℃,1500W时该温差则达到了80℃。此外,水平方向的温差也随加热功率的提高而增加,且越靠近热源的区域越明显,最高达15.7℃,这无疑会加速质子交换膜的机械失效。实际中,应在不过多影响电池运行寿命的前提下,提高加热功率以缩短启动时间。     

空冷型质子交换膜燃料电池堆最优性能输出控制

空冷型质子交换膜燃料电池具有结构简单、自身能耗低等特点,在便携式电源研究领域有着良好的应用前景。本文通过实验研究环温和负载变化对电堆工作温度的影响关系,揭示温度和湿度特性对电堆输出性能的影响规律。通过建立基于遗传算法优化的温度特性模型,应用模糊-PID融合算法,设计电堆温度控制器,以及根据各电流输出段的湿度特性,采用不同方式控制尾气排放周期,最终保证电堆输出性能最优。     

活性炭空气阴极微生物燃料电池的放大和串并联组合研究

采用体积分别为28 mL(mL-MFC)和4.5 L(L-MFC)的单室空气阴极微生物燃料电池,考察了扩大化对活性炭空气阴极性能的影响.mL-MFC的最大功率密度为30 W/m3(1 200 mW/m2),L-MFC的最大功率密度为7.3 W/m3 (435 mW/m2),扩大化后活性炭空气阴极性能下降是致使L-MFC功率降低的主要原因.电化学阻抗(EIS)分析表明,L-MFC中阴极性能下降主要是由于工作水压增大,导致了阴极扩散电阻增大和氧气还原速率降低.通过串联或并联方式组合L-MFC,可明显提高电池的输出电压或电流;串并联组合后电池的功率密度有所下降,主要由电池连接时的接触电阻引起.     

钒微流体燃料电池性能的数值模拟

对一种新型钒微流体燃料电池进行了理论分析并建立了三维数值模型。该模型包含了层流、物质传输与电化学反应等电池内部的物理和化学过程。计算得到的极化曲线与实验数据吻合较好,说明模型是可靠的。通过多场耦合求解,数值模拟了体积流速、燃料纯度等对电池性能的影响。研究结果表明：增大体积流速可以提高电池的功率,但燃料利用率会大幅降低;燃料纯度对燃料电池的电压有较大影响;燃料利用率低是制约微流体燃料电池发展的主要因素之一。通过改进原有Y形流道设计,设计了一种双Y形流道微流体电池,仿真结果显示其可以较大地改善燃料的利用率。     

直接甲醇燃料电池阴极水的传输特性

利用COMSOL Multiphysics软件对直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极模型进行计算,获得压力、速度、水、氧气和液态饱和度分布情况,研究扩散层在不同物理参数（如厚度、孔隙率、孔径大小和亲憎水性）下电池阴极水和氧气的传输情况,进一步建立扩散层孔隙率梯度的数学模型,研究扩散层孔隙率梯度以及支撑层参数对直接甲醇燃料电池性能和物质传输的影响。结果表明,扩散层具有大孔隙率、薄扩散层时均有利于氧气传质,可以使电池性能提高;扩散层孔隙率梯度的存在可以减轻氧气传输阻力,提高电池性能。     

高温甲醇燃料电池热管理系统设计

针对某型号高温甲醇燃料电池单电池模块,以实现精确控温、快速启动为目的进行了燃料电池热管理系统的设计、制造和测试。应用Matlab/Simulink平台开发了一种拟合简化方程的控制系统算法及其仿真计算平台,并对所设计的控制算法进行了仿真计算;同时对燃料电池内外传热介质循环回路及冷却系统换热器进行了重新设计与样件试制。完成了热管理系统单电池模块运行试验,将实测数据与仿真计算结果进行了对比分析。试验结果表明,所设计热管理系统成功将电池预热时间缩短了678s,稳定工况下冷却介质温度误差保持在±2℃以内,达到了预定的设计要求。样件试制及测试结果验证了热管理系统设计的可行性、准确性及实用性,为今后高温甲醇燃料电池热管理系统设计优化提供了理论和实际参考。     

空气与水逆流直接接触热质交换模型计算及与实验比较

According to general equations deducted from a model of heat and mass transfer of air and water in direct contact counter flow reported in the author‘s previous work, the outlet parameters of air and water counter flow through a paper wet pad were calculated by using the MATLAB-software. Comparing the calculation results with experiment data of prior researchers, the deviation of calculated outlet air wet bulb temperature from experimental outlet air wet bulb temperature was less than 10%, the deviation of calculated outlet water temperature from experimental outlet water temperature was less thang 9%, and the deviation of calculated outlet air dry bulb temperature from experimental outlet air dry bulb temperature was less than 10% when NTUh was more than 0. 6. The deviation of calculated outlet air dry bulb temperature from experimental outlet air dry bulb temperature was more than 10% when NTUh was less than 0. 6. The model calculations were in good agreement with experiments and the general equations could be used to design evaporation cooling equipment, such as wet pad and so on.     

基于氢气低温催化燃烧的燃料电池低温启动研究进展

相比于传统动力系统,基于燃料电池的动力系统具有很多优点,但在实际运用中仍有许多亟需解决的问题,其中包括燃料电池系统的低温启动问题。本文对比了各种燃料电池低温启动方案的工作机理及其优缺点,归纳并分析了氢气催化燃烧所用催化剂和催化燃烧反应过程以及燃料电池低温启动过程等方面的相关研究成果,研究了影响催化燃烧的主要因素,得出以下结论：基于氢气低温催化燃烧的燃料电池低温启动策略具有较高的可行性;在不同反应模型的情况下,氢气都可以在微尺度管道内实现稳定的燃烧;表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;空间气相与表面催化的耦合反应能得到最高的温度;氢气/空气预混合气体入口流速、导热壁及导热壁材料、管径和当量比均对催化燃烧有着重要的影响。     

十二烷基苯磺酸钠对燃料电池产过氧化氢的影响

用不同质量浓度的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对炭黑材料进行了改性,并制备了3种氧电极。通过极化曲线研究了其电化学活性,结果表明:加入适量的SDBS可以增加氧还原的过程。并放入燃料电池反应器里进一步研究其对产过氧化氢的影响。结果表明:过量的加入SDBS会减少过氧化氢的产量,而适量地加入SDBS,可以获得更大的电流和更高的过氧化氢产量,其过氧化氢浓度可以达到226 mmol/L;并且3个电极的电流效率都为100%。交流阻抗分析表明,适量地加入SDBS可以减小电子转移电阻和化学反应电阻,但其催化机理没有改变。