PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究综述

质子交换膜燃料电池气体扩散层中的液态水对于电池的运行和性能有显著的影响。为了提高电池性能,有必要对气体扩散层中液态水的传输进行深入研究。对质子交换膜燃料电池的组成、工作原理进行了阐述,对质子交换膜燃料电池气体扩散层中液态水传输的实验研究(包括传输机制和影响因素)做了较为全面的综述,并对研究结果进行了总结。     

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。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层耐久性研究

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成材料之一,其稳定性对PEMFC的性能和耐久性具有重要影响。以商业化的软碳纸(S-GDL)和硬碳纸(H-GDL)制备的气体扩散层为研究对象,对其进行高电位氧化和酸液浸泡加速衰减实验。对衰减前后GDL的透气系数、接触角、厚度、电阻及全电池极化曲线进行表征,揭示了离线加速衰减过程中不同GDL的衰减行为,并研究了GDL参数变化对燃料电池性能的影响。该研究结果可为燃料电池耐久性研发提供参考。     

阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极扩散层孔隙率分布对电池性能影响很大。建立了一个单电池的三维模型,分别考虑了阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布等情况,并用有限控制体法对模型进行了求解。研究结果表明,在大电流密度下,阴极扩散层孔隙率的不同分布形态会不同程度地影响阴极氧气质量传输和液态水的排出,从而影响电池性能。     

预紧力对PEMFC两相流传递及性能的影响

建立关于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的三维稳态模型,利用COMSOL软件进行仿真计算,分析预紧力对扩散层内部反应物、生成物与电流密度分布的影响。预紧力从0增加到3.0 MPa时,脊下扩散层的孔隙率不断下降,孔隙内的液态水含量逐渐升高,孔隙逐渐被液态水占据,堵塞扩散层气体的传输通道,不利于液态水排出。最佳预紧力为2.0 MPa,此时电池的孔隙率适中,接触阻抗较低,电流密度较高,达2.171 8 A/cm²。     

PTFE载量对气体扩散层性能的影响

在质子交换膜燃料电池的气体扩散层中,处理好水、气、电子的通道是十分重要的.对碳纸用不同浓度的PTFE乳液(12%,15%,18%)进行疏水处理,通过组装电池测试表明:用15%的PTFE乳液浓度处理的碳纸表现出了好的电性能.     

质子交换膜燃料电池阴极面增湿槽道

增湿技术是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术之一。设计了一种阴极面带增湿槽道流场板,增湿槽道中液态水蒸发成气态水透过疏水碳纸向邻近的气体槽道和催化层扩散进行增湿。单电池在电流密度为600mA/cm2工作时,内阻在0.051～0.066Ω·cm2区间波动;表明了采用增湿槽增湿方式达到了良好的增湿效果并实现了电池稳定工作。     

扩散层成分和含量对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的扩散层通常包括碳纸和整平层,在电池结构中起着重要作用。使用BP2000型炭黑作为PEMFC的扩散层,通过试验分析了碳粉含量、碳纸类型和疏水性处理对单电池性能的影响。电池催化层由Nafion溶液和Pt/C催化剂构成。结果表明,TPG-90型碳纸性能较好,其疏水性不影响碳纸的孔隙率。在PEMFC电池的电极制造过程中有必要使用整平层,整平层中BP2000型碳粉的含量以2mg·cm-2为宜。     

直接甲醇燃料电池两相传质过程研究进展

为了揭示直接甲醇燃料电池两相流及其对电池性能的影响,从可视化研究和数学模型研究两方面综述了直接甲醇燃料电池中气、液两相流的研究进展.概述了阳极和阴极两相流研究,介绍了流场模型、扩散层模型、催化层模型及质子交换膜模型等数学模型.阴极进行可视化研究是必要的,数学模型与实验结合起来研究能更好地促进模型研究的发展.     

炭纸表面原位生长碳纳米纤维作气体扩散层

采用化学气相沉积(CVD)法在炭纸上原位生长碳纳米纤维(CNF)成功制备了燃料电池用碳纳米纤维基气体扩散层(CNF/GDL)。通过调变CNF生长时间(从10 min到40 min)获得了一系列结构、形貌不同的碳纳米纤维层。为了研究CNF层结构、形貌对碳纳米纤维基气体扩散层性能的影响,对样品的物理性能(表面形貌、接触角、导电性、透气性)和电池性能进行了表征。物理性能测试结果表明:随着CNF生长时间的延长,气体扩散层的疏水性提升,电子传导能力先提升后下降。单电池测试结果显示:在低、中电流密度区域(i1 700 m A/cm2),采用CNF生长时间为20 min的气体扩散层制备的电池表现出更优异的电池性能;在高电流密度区域(i1 700 m A/cm2),采用CNF生长时间为10 min的气体扩散层制备的电池性能更好。     

一体式再生燃料电池双效膜电极的研究

对一体式再生燃料电池双效膜电极进行研究,重点考查了膜电极制备工艺、双效电极催化剂和扩散层材料的影响,并用(SEM)对膜电极表面结构进行表征。结果表明:采用CCM工艺制备的双效复合膜电极表现出优异的燃料电池和水电解双功能特性以及循环稳定性,在燃料电池模式运行时,工作电压为0.708 V@1 000 mA/cm2;水电解模式运行时,工作电压为1.623 V@1 000 mA/cm2,URFC循环运行100 h,电池表现出良好的稳定性。膜电极表面结构和极化特性分析表明:CCM膜电极制备工艺实现了催化层和质子交换膜的一体化,改善了电极与质子交换膜界面稳定性,提高了膜电极的电性能和循环稳定性。IrO2扩散层提高了膜电极在高电解电位下的耐蚀性能,促进了膜电极在循环运行中的稳定性。     

High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell

Proton exchange membrane fuel cells(PEMFC)have beenconsidered as a suitable alternative to internal combustion enginesbecause of their high power density,high-energy conversion effi-ciency andlowemissionlevel·However,the current PEMFCtech-nology suffers …     

PTFE含量对PEMFC性能影响的数值分析

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)二相流模型,利用实验矫正模型参数,对3种不同聚四氟乙烯(PTFE)含量的PEMFC进行分析。PTFE含量的增加,有助于缓解气体扩散层(GDL)的水淹,10%PTFE含量能极大地提升GDL的排水性能;PTFE含量并非越高越好,PTFE含量为10%时,氧气的扩散系数最大,PEMFC性能最优。     

硼氢化钠在聚合物电解质膜燃料电池中的应用

间接硼氢化钠燃料电池(B-PEMFC)的氢源具有储氢效率高、长期存储稳定、制氢速率可控、水解产物环境友好及副产物偏硼酸钠(NaBO2)可回收利用等优点,但存在硼氢化钠(NaBH4)价格高、水解催化剂寿命短、NaBO2结晶析出和水热管理等问题;直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)具有能量密度和开路电压较高、阳极催化剂价格低以及结构简单的优点,但存在BH4-在阳极水解和渗透的问题。     

聚合物电解质膜燃料电池电催化剂的进展

评述了近年来聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)电催化剂的进展,其中包括核/壳结构、中空结构等结构及形状可控的Pt基催化剂、非贵金属催化剂及石墨烯、有序介孔碳等新型载体,并对发展前景进行了展望.     

Polymer electrolyte membrane fuel cells based on Nafion and acid-doped PBI: State-of-the-art and recent progress

Ｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌｓ (ＰＥＭＦＣ)ａｒｅｒｅｃｅｉｖ ｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒａｂｉｌｉｔｉｅｓａｓａｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒ ａｔｏｒｆｏｒｂｏｔｈｓｔａｔｉｏｎａｒｙａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[1] .Ｔｈｅｆｅａ ｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅＰＥＭＦＣａｒｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ ,ｌｏｗｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ,ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｆｒｅｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ,…     

CeO2改性阴极扩散层对DMFC性能的影响

在常规的阴极扩散层中引入CeO2纳米粒子,通过扫描电镜(SEM)、接触角测试等表征了该扩散层的形貌、元素组成、亲水/疏水性。采用CeO2掺杂的扩散层组装了直接甲醇燃料电池(DMFC)单体电池并进行了性能测试,结果表明,与传统的阴极扩散层相比,该单体电池以2倍化学计量比空气进料,150 mA/cm2电流密度下,放电电压提高了24%。电池极化分析结果表明,该电池性能的改善可能是在低化学计量比空气进料条件下CeO2纳米粒子改善了氧的传质行为。     

日本燃料电池的发展状况

简要地概述了日本燃料电池的发展状况。因燃料电池两电极中均含有贵重金属 (铂 钌 )作催化剂 ,大部分情况需要防止其对一氧化碳的中毒失效。如果含有碱性电解质 ,要考虑除去二氧化碳。碱性燃料电池开发较早 ;高分子电解质燃料电池在家庭及动力电源的应用上取得很大进展 ;磷酸型燃料电池已广泛应用于供电、供热 ;熔融碳酸型燃料电池则非常适合于大规模及高效率的电站应用 ;固体氧化物燃料电池的重点集中于平面基材的研究 ,以降低成本 ,适合大规模生产。在各种燃料电池的研究开发上 ,不单只是利用燃料来发电 ;更重要的是使能源得到合理的充分利用。通过对上述五种燃料电池的性能比较 ,分析了它们今后的发展方向     

Evaluation of Electrical Load Following Capability of Fuel Cell System Fueled by High‐Purity Hydrogen

This paper describes the electrical response in the load change in a fuel cell system fueled by high‐purity hydrogen. The purpose of this study is to use the fuel cell system to make up for the unstable electrical output of a photovoltaic system utilized as a renewable energy source. As an alternative method instead of a secondary battery, the fuel cell system, which is able to continuously generate power as long as fuel is supplied, is expected to provide better power with higher reliability and stability. To evaluate the load‐following capability of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) system, an experimental setup was constructed with a 200‐W PEFC stack (number of cells: 20; cell area: 20 cm²), which was supplied with hydrogen from a compressed hydrogen cylinder and a metal hydride canister. We measured the transient phenomena in the current and cell voltage when the PEFC stack was given step‐up current loads that changed in the range of 0 to 300 mA/cm². It was found that PEFC systems with both hydrogen supply sources are able to respond with a time constant of 6.6 to 11.6 µs in the presence of an adequate oxygen supply and at a load below the PEFC rated power. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 186(4): 37–47, 2014; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com ). DOI 10.1002/eej.22353     

质子交换膜燃料电池设计与制作

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置,当外部持续供给燃料和氧化剂时,燃料电池可以连续发电。以小功率质子交换膜燃料电池为设计目标,介绍了燃料电池的工作原理,对双极板结构、膜电极、绝缘板、密封装置、散热装置、集流装置、电压调整功率模板等重要部件及质子交换膜燃料电池整体结构进行了设计。通过样机测试,参数达到了设计要求,并进一步讨论了设计要点。