PEM燃料电池的流场设计

质子交换膜燃料电池流场的合理设计有利于组分浓度、电流密度等的均匀分布,从而达到提高电池性能的目的。采用计算流体力学软件Fluent中的PEM模块,对3种常见的流场形式分别从氧气摩尔浓度、膜中水含量和电流密度分布等3个方面进行了综合分析。结果显示,电池性能由高到低依次为:多蛇形I流场、多蛇形II流场和平行流场。该方法可用于指导质子交换膜燃料电池空气流场的优化设计。     

燃料电池用非氟质子交换膜研究现状

简要介绍了燃料的电池的定义及其特点。按照质子交换膜材料的不同,分类回顾了近年来非氟质子交换膜领域的研究进展,并对今后的研究趋势做了展望。     

聚合物电解质燃料电池研究进展

综述了聚合物电解质燃料电池（PEMFC）的研究进展，讨论了PEMFC的五个主要研究问题，比较、分析了Nafion、聚苯并咪唑（PBI）膜和其他质子交换膜性能。最后，对质子交换膜的研究提供了意见。     

基于质子交换膜动态特性的PEM燃料电池建模与仿真

质子交换膜是燃料电池的核心部分,膜的含水量及膜内阻对燃料电池的性能至关重要。基于质量守恒、能量守恒、电荷守恒和电化学反应动力学,将燃料电池划分为阳极气道、阳极扩散层/催化层、质子交换膜、阴极气道、阴极扩散层/催化层5个控制体,建立了简化的半机理半经验动态模型,描述了H2O和H2等各组分在相应控制体内及燃料电池关于电压、温度、压力和膜含水量等一些重要变量(如电压、温度、压力和膜含水量等)的动静态特性;描述了水通量密度、质子通量密度和含水量等膜内变量(如水通量密度、质子通量密度和含水量等)的动态过程。仿真结果表明,该模型能够较准确地反映运行参数对PEMFC动静态性能的影响。     

燃料电池用磺化聚醚醚酮质子交换膜的制备及性能

采用浓硫酸作为磺化剂磺化聚醚醚酮,制备具有不同磺化度的磺化聚醚醚酮质子交换膜.实验结果表明,磺化聚醚醚酮质子交换膜具有理想的质子电导率和机械强度.当磺化度为86%(离子交换当量为2.48 meq/g)时,磺化聚醚醚酮质子交换膜的电导率为5.5×10-3 S/cm;磺化聚醚醚酮质子交换膜的拉伸强度为45.9 MPa.     

多孔PTFE膜基体厚度对复合质子交换膜性能的影响

以不同厚度PTFE多孔膜为基体,制备了Nafion/PTFE复合质子交换膜.SEM表明采用Nafion树脂充分填充到PTFE多孔膜中为基体,通过拉伸和溶涨实验比较了不同厚度PTFE多孔膜基体制备的复合膜的物理性能差异.电化学和单电池测试表明,PTFE多孔膜厚度为15μm时,制备的复合膜性能最好,在600 mA/cm2时输出电压为0.664 V,优于同条件下的美国杜邦的Nafion111膜.     

纤维复合磺化SBS质子交换膜的制备和性能

介绍了磺化聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(S-SBS)低温质子交换膜的制备和表征，并以S-SBS为基体，与经过偶联剂处理的玻璃纤维毡复合，制备出复合S-SBS膜。并研究了复合S-SBS膜与S-SBS膜的拉伸强度、质子传导性、吸水率、溶胀率、离子交换当量(IEC)等性能的变化。结果表明，纤维复合可在对膜的传导性能影响很小的情况下，大大提高膜的拉伸强度，并且膜的溶胀率明显减小，尺寸稳定性得到明显提高。     

聚苯并咪唑/两性离子修饰氧化石墨烯复合质子交换膜的制备与表征

合成了两性离子修饰的氧化石墨烯（ZC-GO）,以聚苯并咪唑（PBI）为基体,ZC-GO为质子载体制备了PBI/ZC-GO复合质子交换膜,由于对氧化石墨烯（GO）表面进行了修饰,使得改性石墨烯形成了疏水-亲水结构.测试了复合膜的FT-IR、SEM、吸水率、离子交换容量和质子电导率等性能.结果表明：该质子交换膜具有良好的热稳定性和较高的电导率,在100％相对湿度,80℃时,复合膜（ZC-GO含量为10％）的电导率达到2.2×10-2 S/cm.与纯的PBI膜相比,PBI/ZC-GO复合膜的吸水能力显著提高;其甲醇渗透率为（3.16～7.23）×10-7 cm2/s,虽然与纯PBI膜相比稍有增加,但仍大大低于Nafion膜的甲醇渗透率,有望应用于直接甲醇燃料电池中.     

基于混合区域法的质子交换膜燃料电池的计算模拟

利用一个新的混合区域法对质子交换膜燃料电池进行了模拟计算.这个新方法是建立在一套完整的守恒方程基础之上的,它包括了质量守恒、动量守恒、化学组分守恒、质子和电子守恒、水容量在交换膜中的守恒等.在这个混合区域法中,水浓度守恒方程只是在电池两极的气道、气体扩散层和催化层中求解,而在质子交换膜中,求解了一个水容量守恒方程.这2个方程通过内部边界条件在交换膜和催化层的交界面相连接.另外,在催化层中求解水浓度守恒方程时,还利用了一个"假象的水浓度"的概念,从而可以准确地考虑水在膜介质中的传递.这个方法适用于质子交换膜燃料电池的三维计算模拟,其计算区域包括电池两极的双极板、气道、气体扩散层和催化层、以及中间的质子交换膜.研究表明这个新方法可以给出比单区域法更准确、更合理的计算结果.     

质子交换膜在开路状态下的衰退机理

介绍了质子交换膜(PEM)在开路工况下(open circuit,OC)耐久性测试中的各种衰退机理,对研究质子交换膜衰退机理的实验手段及分析技术做了讨论,比较不同PEM的衰退情况,旨在分析PEM可能存在的衰退机理及其影响因素。最终提出进一步优化PEM性能的方法,为增强质子交换膜燃料电池的耐久性奠定基础。     

新型质子导电聚合物电解质的研制及性能研究

以聚偏氟乙烯(PVDF)为基质,掺杂P2O5保水剂,研制了一种新型质子P2O5/PVDF聚合物复合薄膜电解质.应用交流阻抗技术研究了P2O5/PVDF聚合物复合薄膜电解质的导电性.讨论了该聚合物复合薄膜电解质电导率随相对湿度、测量温度变化规律.应用红外光谱法研究了掺杂P2O5后电解质的结构变化.应用热分析仪研究了P2O5/PVDF聚合物复合薄膜电解质的热稳定性.结果表明,电解质膜在低于100 ℃具有稳定性,是一种在室温电导率较高的质子导电的室温聚合物电解质.     

进气温度对质子交换膜燃料电池性能影响的试验研究

为了研究不同进气温度对质子交换膜燃料电池性能的影响.首先分析了质子交换膜燃料电池反应的基本原理;其次建立了一个质子交换膜燃料电池性能测试平台,通过控制空气和氢气侧压力为0.1 MPa、燃料电池工作温度为60℃时,同时改变阴极和阳极侧进气温度来对一个由十片单电池组成的电堆进行实验.实验结果表明:质子交换膜燃料电池性能受进气温度影响较大,在燃料电池进气压力和工作温度一定的情况下,随着进气流量的增加,进气温度随之升高,电池性能也将得到明显改善;其次,通过比较同一进气压力、进气温度和工作温度下电堆的一致性,得出第十片单电池性能衰减较快.     

直流道PEMFC的综合三维数学模型Ⅱ单电池机理分析

目的研究质子交换膜燃料电池内部的流动和传质过程及电化学反应过程的机理.方法对直流道质子交换膜燃料电池建立综合的三维多组分数学模型,电化学反应速率采用团聚块模型修正,自主开发程序代码对电池内的复杂物理过程进行数值模拟.模拟得到电池内部反应气体的三维速度场、压力场,以及不同电流密度下的气体组分质量分数、局部电流密度和电极反应过电势的三维分布.结果反应气体在电极中的流速比在流道中小3个数量级以上,压力变化不大;阳极反应速率及氢气的传质速率高,电池的极化过电势主要来自于阴极反应;小电流密度下,阴极内氧的组分质量分数、局部电流密度以及电极反应过电势的分布均匀;随着电流密度的增加,这些量趋于不均匀分布,在传质困难的区域局部电流密度值很小,而局部电极反应过电势增大约0.1V,极化的原因主要由于氧组分的传质限制.结论反应气体在电极内的传质是主要由扩散作用引起,在小电流密度时浓差极化较小,随着电流密度的增加,阴极氧组分的传质速率低是产生电池浓差极化过电势的主要原因.     

不同截面流场的质子交换膜燃料电池模拟

流场对于质子交换膜燃料电池至关重要,采用流体力学计算软件Fluent的PEM模块对不同截面形状流道的质子交换膜燃料电池进行数值模拟和优化设计.研究表明,矩形截面、半圆形截面、三角形截面以及梯形截面流道的质子交换膜燃料电池性能相差不大,而变截面流道的质子交换膜燃料电池性能要远远好于其它非变截面流道的电池.     

Review: Development of Non-Perfluorosulfonic Acid Membranes for High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

综述：高温质子交换膜燃料电池用非全氟质子膜的制备

柯茜1,2,冯威2

（1.东岳上海先进氟硅材料研发中心 上海 201108;2.含氟功能膜材料国家重点实验室,山东 淄博255000）

中文说明：

温度是影响燃料电池的关键因素之一,根据不同的工作温度聚合物电解质薄膜可被划分为高温和低温质子交换膜。低温质子交换膜主要依赖水进行离子传导,因此使用温度通常低于100℃。相比而言,可于120℃以上工作的高温质子交换膜由于其出众的特性,比如简化的水管理设备、加速的电极反应动力以及铂催化剂对CO耐性和系统中热能回收的提高而备受青睐。众所周知,目前高温质子交换膜领域的大量研究均以磷酸掺杂的聚合物薄膜为基础。本篇综述就适用于高温质子交换膜燃料电池的各类膜材料,特别是它们的合成、性能、技术关键点和相应的解决手段进行了讨论。涉及的膜结构包括聚苯并咪唑薄膜、其他碳氢结构薄膜以及预辐射接枝技术制备的含氟聚合物薄膜。

关键词：燃料电池,磷酸,聚苯并咪唑,碳氢化合物,预辐射引发接枝

     

质子交换膜燃料电池电堆活化过程研究

活化对质子交换膜燃料电池的性能有重要影响.采用自行设计的燃料电池电堆活化程序,对25 kW质子交换膜燃料电池电堆的活化过程进行了初步研究,考察了在活化过程中及活化之后电堆的性能.研究表明,采用变流强制活化方法可以较快完成活化过程,需要进一步探索加快质子交换膜燃料电池电堆活化过程的程序和方法.     

质子交换膜燃料电池温度场数值模拟

本文利用Comsol软件,对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维质子交换膜模型进行温度场数值模拟,结果表明,质子交换膜内部温度靠近阴极一侧高于阳极一侧且电池内部温度随工作电压的降低和电池孔隙率的增加而升高,这一结果对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的深入研究具有重要参考价值.     

车用直流道质子交换膜燃料电池性能仿真及试验研究

使用计算流体动力学(CFD)方法,建立了三维直流道质子交换膜燃料电池的阳极和阴极模型。使用500W质子交换膜燃料电池电堆验证了电池的输出特性,分析了反应气体压力、电堆温度和气体增湿温度对电池输出电压的影响。根据内部流场的仿真结果,考察了反应气体压力、温度等操作条件因素对反应物和电流密度分布的影响,为提高车用质子交换膜燃料电池性能及工作的稳定性提供参考。     

质子交换膜燃料电池加湿器的建模与仿真

为了深入研究质子交换膜燃料电池加湿器的工作性能,从传热传质学的角度分析膜加湿器系统,建立加湿器的机理模型。当已知加湿器入口气体和水流的状态参数（如：温度、流量、压力）以及加湿器的物理参数（如：气道的几何形状和热传导系数等）时,此模型可以计算出加湿器出口气体的相对湿度、温度以及出口水温等变量值。以1 kW质子交换膜燃料电池的参数为依据,用Simulink进行仿真。仿真结果与实验数据的比较表明,模型能够反映出加湿器的实际工作状况。     

质子交换膜燃料电池动态特性仿真研究

发展了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)动态建模和仿真的方法.通过对电池稳态经验模型的扩展,运用MATLAB的SIMULINK仿真工具建立了质子交换膜燃料电池动态仿真模型,研究了电堆的运行参数对电池输出性能的影响,仿真结果与实验数据吻合较好.该方法可以用于燃料电池的分析、优化设计以及电池系统的实时控制.