质子交换膜燃料电池稳态自增湿性能分析

增湿及水管理系统使得燃料电池系统结构复杂,质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）自增湿操作在实用化方面逐渐引起研究者的兴趣。提高PEMFC自增湿性能的关键在于对生成水的有效管理,保证质子交换膜的良好水合。实践证实采用自增湿膜电极组件是一个有效途径。本文建立催化层中增加保水层的水传递平衡模型预测膜中水的分布,考察自增湿操作的可行性和稳定性。数值分析表明：只有低于50 mm（如Nafion112）的薄膜能满足电池自增湿膜水合的要求。保证膜水合性能和电池操作稳定性的电池温度为60℃,操作压力为0.15 MPa,阴极气体过量系数可以增大到1.8。在上述操作条件下,电池自增湿性能与饱和增湿有可比性,与饱和增湿最佳条件有差距。因此PEMFC自增湿性能在综合考虑降低成本和费用,简化结构和操作时具有可行性,但不能替代增湿操作。     

PEMFC膜电极组成及其性能

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极(MEA)由质子交换膜、催化层、水管理层(WML)和扩散层组成。研究了WML的厚度和聚四氟乙烯(PTFE)的含量对膜电极性能的影响,并采用了两种新型造孔剂(碳酸氢铵和硫酸铵)优化WML的孔结构。采用环境扫描电镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构;采用单体PEMFC的电流密度-电压曲线评价了膜电极在外增湿和自增湿方式下的极化特性,结果表明,WML的建立提高了膜电极的水管理能力,使膜电极在自增湿方式下具有良好的极化特性。     

PEMFC的增湿技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用质子交接膜(PEM)作为电解质。由于质子交接膜需要一定的含水量以保持传导质子的能力，所以其增湿问题已经成为该领域研究的一个热点问题。本文对目前已采用的和正在研发的增湿技术进行了综述。其中，自增湿技术由于能够减少PEM燃料电池的外部辅助设备，从而减轻系统重量和体积、提高PEMFC的比特性而特别受到关注。     

PEMFC流道横截面二维两相流数学模型(Ⅱ)流道设计对电池性能影响

利用之前建立的数学模型（across-the-channel model）研究了流道设计对电池性能的影响。结果表明,对不同增湿条件的质子交换膜燃料电池（PEMFC）,其流道设计策略应有所不同：在增湿较差或者不增湿的条件下,电池阴极流场板应当采用较宽的脊以获得较好的保湿效果;在增湿较好的条件下,则应当采用较窄的脊以增强阴极排水功能,从而提高电池性能。     

质子交换膜燃料电池冷启动的数值模拟

冷启动是质子交换膜燃料电池（PEMFC）商业化所面临的挑战之一，在PEMFC冷启动实验中，通过中子成像技术已经观测到电池内部存在过冷水，因此本文模型重点考虑过冷水对电池冷启动性能的影响。通过引入结冰概率函数对过冷水结冰过程的随机性进行描述，从而建立了PEMFC冷启动的三维、瞬态和多相流动数学模型。基于该模型，研究电池阴极催化层中离子聚合物的体积分数和质子交换膜的厚度对电池冷启动性能的影响。研究结果表明，增加阴极催化层中离子聚合物的体积分数，可有效促进阴极催化层中的反应生成水向质子交换膜中进行扩散，从而充分利用膜内的储水空间；减少质子交换膜的厚度，能促进质子交换膜中的离聚物水向阳极催化层扩散，在大电流密度工况下可有效缓解阳极的“膜干”现象。     

阳极封闭式质子交换膜燃料电池的研究进展

从数值模拟和实验两个方面简要介绍了国内外阳极封闭式质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究现状,提出了阳极封闭式PEMFC存在的主要问题,由于水的反扩散和氮气的渗透以及反应物消耗造成了阳极出口处的氢气浓度低、阴极电势高,加快了催化层和质子交换膜的碳腐蚀,导致电池性能下降。针对存在的问题,提出了解决方案,如阳极吹扫、震荡压力、级联设计等,可进一步提高燃料电池性能。     

免增湿型空气自呼吸燃料电池的研究进展

空气自呼吸质子交换膜燃料电池是一种主动吸取空气的燃料电池装置,由于本身的高能量转换效率和反应产物环保的优点被广泛应用在各种移动供电系统中。但是空气自呼吸质子交换膜燃料电池正常工作需要面对一系列问题,包括防止反应气体泄漏、电化学反应生成水的管理、热量的扩散和能够长时间稳定工作以及由于反应气体的不充分湿润和质子交换膜内水分子的电渗,扩散和蒸发作用造成的质子交换膜脱水等,这些问题都会严重影响燃料电池的性能表现。因此本文围绕以上的问题介绍国内外的研究情况,包括空气自呼吸质子交换膜燃料电池各组成部件的研究和开发,例如单电池中阴极集流板的开孔样式对氧气运输和水分管理的影响,气体扩散层和双极板的材料选用;通过添加亲水物质或改良催化剂载体等方法制作免增湿膜电极来实现空气自呼吸燃料电池免增湿目的以及改良阴极部件构造使水分在亲水织物材料的毛细管作用下能够合理分布在膜电极周围。通过介绍国内外关于空气自呼吸燃料电池的应用实例,展望了空气自呼吸燃料电池的应用前景和发展趋势。最后对如何提高空气自呼吸燃料电池性能的方法也作出了简单的总结。     

燃料电池用阴离子交换膜的研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)是一种以碱性阴离子交换膜为电解质的新型燃料电池。结合了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和传统碱性燃料电池(AFC)的优点,从根本上摆脱了对贵金属催化剂的依赖,具有广阔的应用前景。阴离子交换膜是阴离子交换膜燃料电池的核心材料之一,其电导率及稳定性制约了碱性阴离子交换膜(AEM)的发展。从提高AEM的电导率及耐碱稳定性两个方面,对近期报道的研究工作进行梳理总结。     

空气自呼吸质子交换膜燃料电池最新研究进展

空气自呼吸质子交换膜燃料电池具有系统体积小、能量密度高、能量转化效率高和清洁无污染、无需复杂的空气供给及增湿系统等优点,是极具商业前景的新一代中小功率便携式电源,其相关研究为燃料电池领域的热点研究课题。本文综述了近年来此类电池在结构、机理、组成元件、性能等方面的研究进展,认为改善阴极催化层孔隙率和疏水性等能显著加快氧气传输和水移除,提高氧气活化能力;气体扩散层的组成、结构和厚度亦影响其气体透过性和水移除效果;合适的结构设计和材料选取能调节池体温度,强化空气对流;膜电极免增湿技术的应用可以维持电池在低湿度下较高质子传导率和系统稳定性,这是空气自呼吸质子交换膜燃料电池实现商业化的重要研究方向。     

阴、阳极加湿程度对PEMFC内部传质的影响

为了研究常规流场下阴、阳极增湿程度对电池内部水分布、传递、膜性能及水拖曳系数等的影响,对PEMFC进行二维建模,应用控制容积法对控制方程进行离散,然后求解,得到了电池内部水和反应气浓度、速度分布、膜中电流密度、电势分布及膜中水分布,考察了气体不同增湿程度对质子交换膜电导率及电池内部传质的影响.结果表明,PEMFC中水综合拖曳系数随着阳极加湿程度的增加而增大,随阴极增湿程度的增加而减小,但阳极增湿对水综合拖曳系数的影响比同增湿程度下阴极增湿对水综合拖曳系数的影响大得多.同时,随着阳极加湿程度的升高,质子交换膜（PEM）电导率急剧升高,而阴极加湿程度对PEM电导率的影响只是停留在较小的电流范围之内.故PEMFC在小电流密度工作时,应该使阳极气体充分增湿;而在大电流密度工作时,应该适当降低阳极的增湿程度以降低阴极两相流的机会,从而改善阴极的传质状况.     

质子交换膜燃料电池关键技术研究进展

简述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理及特点;综述了PEMFC关键技术的最新研究进展,包括质子交换膜合成、电催化剂制备、膜电极工艺及水管理和热控制;并简介了我国PEMFC的开发情况。     

质子交换膜燃料电池停机策略的实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中引起性能衰减的根本原因是阳极侧残留有氢气。为了满足快速消除电堆内残留的氢气,研究提出了利用空冷电堆的风扇对电堆放电和使用辅助负载对电堆中各个单电池单独放电的停机控制策略。通过实验研究对比了直接停机、利用辅助负载整体放电和利用辅助负载对各个单电池单独放电三种停机方式对PEMFC性能的影响。结果表明,利用辅助负载对各个单电池单独放电的停机策略不仅能缩短燃料电池停机后各个单电池维持在高电位的时间,同时也能防止PEMFC停机放电过程中单电池反极现象的发生,是一种十分有效的质子交换膜燃料电池停机策略。     

质子交换膜燃料电池水传递模型

提出了用于研究质子交换膜燃料电池膜中水分布、水传递量分布、电流密度分布等的二维数学模型;系统地考察了电池温度、阴阳极压力差、增湿程度、质子膜厚度等条件对水的传递和膜中水分布的影响.计算结果表明:①阳极增湿能够提高气体进口段膜阳极侧水的含量;②使用越薄的质子膜,越能提高膜中水的含量;③阳极增湿程度越大,由阳极向阴极迁移的水量越多.     

基于电极修饰质子交换膜燃料电池自增湿研究进展

自增湿对于质子交换膜燃料电池的实际应用具有重要意义。本文从电极组分和结构修饰这一角度出发,介绍了近年来质子交换膜燃料电池自增湿研究的一些重要进展和发展趋势。首先介绍了基于催化层修饰实现质子交换膜燃料电池自增湿的发展状况,指出吸湿性催化剂开发是实现高效自增湿催化层的关键;其次介绍了基于气体扩散层修饰和电极结构改进实现质子交换膜燃料电池自增湿的研究进展,分析了两种方式各自的优缺点,讨论了其后续的发展方向;最后针对现有自增湿工艺存在的问题,提出了未来的研究方向和重点,对这类自增湿研究的发展趋势及应用前景进行了展望,指出吸湿性催化剂研发以及多种工艺协同互补将是今后自增湿质子交换膜燃料电池发展的重要方向。     

质子交换膜燃料电池膜中气态水管理模型

分析质子交换膜燃料电池的膜水含量与运行参数的关系,从工程方法的角度建立水传输模型.模型分析得到,要提高膜的水合程度,需要通过增湿反应气体.过高的增湿反应气体又会引起阴极扩散层水的泛滥,需通过调节反应气体流量来缓解水的泛滥.为保证膜的高水合程度和低的阴极扩散层水的泛滥,建立了膜水含量的神经网络控制模型,为电池水管理奠定了基础.     

PEMFC流道横截面二维两相流数学模型(Ⅰ)模型建立

建立了质子交换膜燃料电池（PEMFC）流道和脊横截面的二维两相流数学模型（across-the-channel model）。模型描述了PEMFC主要的传递和反应过程,包括阴、阳两极反应气的质量传递、动量传递、电子和质子的传递以及电化学反应等。模型细致地描述了水（液态和气态）在扩散层、催化层以及质子交换膜中的传递过程。模型可以用来研究流场、扩散层、催化层以及膜等对电池性能的影响,进而达到优化电池结构的目的。     

空气中的杂质气体对PEMFC性能的影响

综述了空气中的杂质,如二氧化氮、二氧化硫、硫化氢等对PEMFC(质子交换膜燃料电池)的性能所产生的负面影响,以及向已被毒化的电池提供纯净空气和进行循环伏安扫描后,电池性能会得到不同程度恢复的情况.     

质子交换膜燃料电池研究现状及发展

质子交换膜燃料电池是一种高效清洁的发电技术,具有反应动力学快、启动温度低等特点。目前质子交换膜燃料电池技术发展迅速,有望得到广泛推广和普及。本文从质子交换膜燃料电池核心组件出发,对近年来质子交换膜燃料电池的发展进行了简要概述。从材料出发,对核心组件进行分类,详细介绍了质子交换膜、催化剂以及气体扩散层的研究现状和技术特点,综述了各组件的研究方法、改进方法以及研究进展,展望了质子交换膜燃料电池的研究方向和未来发展趋势。基于高温环境下的各种优势,具有短侧链、低当量的且适用于高温低湿环境的质子交换膜仍将是重点研究对象。质子交换膜燃料电池将进一步向低Pt甚至无Pt方向发展,同时未来将实现无增湿条件下的水平衡。     

球形团聚物模型在质子交换膜燃料电池过程模拟中的应用

在建立直通道质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维全电池数学模型中,将球形团聚物模型应用至两极的催化剂层。通过调节团聚物中质子传导介质的比例和催化层孔隙率,预测了基准供气状态下单电池的极化曲线,与文献报道的实验数据吻合良好。研究了电池运行过程中,膜电极内各化学组分和电流密度的分布情况及流向,比较了不同供气压力、催化剂铂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响。计算结果表明,在阴极及时排出反应产生的水,并在阳极对燃料气进行加湿是保证单电池正常运行的前提,提高阴极的氧化剂气体压力,可显著改善PEMFC单电池性能,特别是在受浓差极化影响较大的大电流密度区;在催化剂铂载量相同的情况下,减小铂颗粒的尺寸可以提高电池的性能。     

Pt_3Fe/MWCNTs燃料电池催化剂的制备及性能研究

采用微波法、回流法,通过自还原的方式制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用的Pt_3Fe/MWCNTs催化电极。利用X射线衍射光谱(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对催化剂的微观结构和形貌进行了表征。采用循环伏安(CV)和线性扫描伏安法(LSV)对其电化学性能进行了测试。结果表明,采用采用微波法、回流法,通过自还原的方式制备制得的质子交换膜燃料电池Pt_3Fe/MWCNTs催化剂的颗粒粒径细小、分散性好,催化活性高,稳定性好,为制备Pt_3Fe MWCNTs催化剂工业化进程打好了基础。