重整气为燃料的质子交换膜燃料电池性能研究

质子交换膜燃料电池以其高效、无污染的特性 ,成为新型的清洁发电方式。常规质子交换膜燃料电池采用纯氢为燃料 ,限制了其应用范围 ,研究以重整气为燃料气的质子交换膜燃料电池对其商业化具有重要意义。本文就重整气中的各组分对燃料电池的性能影响作了系统的实验研究。实验结果表明 :CO的毒化作用、氮气的稀释作用、CO2 的稀释作用及其与CO的反应平衡对电池性能有较大影响 ;重整气为燃料气时 ,宜采用PtRu系列电催化剂     

质子交换膜燃料电池新型抗CO阳极结构

质子交换膜燃料电池(PEMFC)广泛采用重整气为燃料,其存在的主要问题是重整气中含有一定浓度的CO(5×10-5～10-2),CO在Pt表面具有强烈的吸附作用,使电催化剂"中毒".通过对提高质子交换膜燃料电池抗CO问题进行研究,在阳极扩散层流场侧担载催化剂(Pt、PtRu)的方法对电极进行修饰,在注入较少量氧化剂(体积百分比为2%的空气)的条件下使电池抗CO性能显著增强,且可以避免电极局部温度过高及可能带来的安全性问题.     

阳极操作条件对HT-PEMFC电流分布的影响

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)阳极采用重整气为燃料时,阳极操作条件对HT-PEMFC电流分布的均匀性有重要影响,并进一步影响电池的性能和寿命.探究了重整气组成、燃料化学计量比和放电电流对电流分布均匀性的影响.研究结果表明重整气组分中H2含量越低,CO含量越高,电流分布不均匀程度越大;降低燃料化学计量比和增加放电电流均导致电流分布均匀性降低,且H2含量更低,CO含量更高的重整气为燃料时,燃料化学计量比和放电电流对电流分布的影响更加显著.研究结果可为HT-PEMFC流场结构、膜电极结构设计和操作条件优化提供指导.     

氢燃料气中CO和CO2对PEMFC性能的影响

采用耐受性曲线、极化曲线及循环伏安等电化学测试手段,分别考察了氢燃料气中含有0.2×10-6、0.4×10-6、0.7×10-6、1.0×10-6、5.0×10-6(体积比)CO或0.2%、3%、10%、20%CO2时,质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的变化情况。研究结果表明,CO的存在会导致电池电压下降,并最终稳定在某值,通过分析电压下降程度与CO浓度的关系,认为使用含CO浓度≤0.4×10-6的氢燃料气运行PEMFC时,电压下降不超过10%,且能保持稳定运行。采用循环伏安法等手段研究了CO2对电池性能的影响机理,认为CO2的存在导致局部H2供应不足,电池出现反极和碳蚀现象,使Pt/C催化剂中C载体含量减少,故在中止通入CO2后电池性能不可恢复至初始水平。     

重整气组分对HT-PEMFC性能影响研究

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)通常以含N₂、CO、CO₂等非氢组分的重整氢气作为燃料，而非氢组分的存在使得电池性能大幅下降、稳定性变差。通过极化分析、电化学阻抗谱等手段研究了不同组分与浓度的N₂、CO对HT-PEMFC性能的影响。结果表明，N₂单独存在时的稀释效应增加了物质传输阻抗，而CO单独存在时会毒化电催化剂，增加氢氧化反应(HOR)电荷转移阻抗。在惰性稀释组分和毒化组分共同存在时，膜电极性能损失高于它们单独存在时的加和。该现象源于在较高的H₂传质阻力条件下，H₂与CO的竞争吸附反应导致的毒化加剧。本研究为HT-PEMFC膜电极的设计优化奠定了基础，并为电堆高效可靠性运行提供指导。     

生物质气在SOFCs中的循环系统设计及原理

设计了一种生物质气在固体氧化物燃料电池堆(SOFCs)中的循环流程.在本技术中,生物质气的主要成分甲烷首先被熔融盐中的晶格氧部分氧化为H2和CO,生物质气中的杂质S和重金属被熔融盐吸收;CO和H2在SOFCs阳极室被电化学氧化为CO2和H20,反应释放的大部分能量转化为电能;大部分CO2在特定温度下,经可再生材料Li4SiO4吸收、解吸被提纯回收.少量CO2和H2O被循环到熔融盐池与甲烷发生重整反应,反应所需要的热量由甲烷部分氧化释放的热量提供.本系统中SOFCs抗积碳及对含S和N燃料的容忍性比较好;整个系统能量利用率高,可以实现CO2的零排放.     

CO对PEMFC性能影响研究

天然气、甲醇等碳氢化合物重整制氢作为燃料正在应用到质子交换膜燃料电池领域。为系统地研究重整气中CO对质子交换膜燃料电池性能的影响,采用热压法自制膜电极,研究了CO浓度、催化剂种类、操作温度、增湿操作等因素对质子交换膜燃料电池性能的影响。实验结果表明:20×10~(-6) CO浓度即能使电池性能显著下降60%~70%;Pt Ru/C催化剂对抗CO中毒的能力较Pt/C催化剂有明显提升,在100×10~(-6) CO浓度下能使性能提高70%;提高工作温度能有效地改善阳极CO中毒状况,在50×10~(-6) CO浓度并加湿的条件下,当操作温度从80℃提高到120℃时电池性能可增加一倍。同时增湿操作有利于改进电池在低浓度CO下的发电性能。     

固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池联合系统的建模与仿真

建立一种新型的发电系统结构——固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)与质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)联合发电系统,在该联合系统中SOFC不但可产生电能,同时为PEMFC提供富氢的重整气产生额外电能,提高了燃料能量转换率,也节省了外置重整器的设备消耗。该文基于质量、能量平衡并耦合电化学知识建立了SOFC-PEMFC联合发电系统模型。详细讨论了系统参数(燃料利用率、空气与燃料流量比和燃料流量)对系统性能的影响。仿真结果表明,在本文设计工况下,SOFC-PEMFC联合发电系统的发电效率和系统能源综合利用效率分别为54％和723％,高于同一功率等级下的独立SOFC发电系统和重整器-PEMFC发电系统;另外,合理的空气与燃料流量比可以改善系统性能;SOFC燃料利用率为75％时,系统发电效率达到最大;燃料流量对系统发电效率基本没有影响。     

甲醇重整气中CO去除的研究进展

评述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)甲醇重整气中CO去除的现实意义。对CO去除的常用方法钯膜及选择性氧化进行了综述,重点介绍了选择性氧化催化剂。     

质子交换膜燃料电池燃料饥饿现象

燃料饥饿的发生,将加速质子交换膜燃料电池(PEMFC)的衰减,降低电池的寿命。在燃料饥饿条件下,采用分式结构电池,对其电压、电极电势、电流分布及局部界面电势随时间的响应情况进行了在线测量。实验结果表明在燃料饥饿条件下,电池阳极侧出现"真空效应",公用管路内燃料气被倒吸进电池阳极,延缓了电池的死亡。公用管路内气体氢浓度越低,电池衰减越快。在此过程中,电池阳极中间区域局部界面电势首先上升,相应的阳极电势也逐渐升高;同时,电池中间区域电流下降,电流分布差异增大,阴极极化增大,电势相应下降。这表明电池运行过程中,气体中所含杂质在电池阳极的积累,使得电池阳极腔内氢气浓度逐渐下降并最终引起电池死亡。     

质子交换膜燃料电池堆电气性能试验研究

对5 kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的电压一电流特性、温度特性、压力特性、反应气体计量比特性等进行了测试.并从电化学热力学和动力学两个角度初步分析了各运行参数对电堆性能的影响机理.试验表明,适当升高温度和反应气体压力有利于改善PEMFC电堆的性能,氢气、空气计量比分别为1.2和2.5时,该电堆性能最好.     

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 ,…     

阳极气体杂质对PEM燃料电池性能的影响

气体中的杂质对燃料电池的毒化影响是阻碍质子交换膜燃料电池（PEMFC）商业化的主要原因之一。综述了阳极气体杂质（Co、CO2、H2S、NH3和各种碳氢化合物）对电池性能的影响,并进行了比较。研究表明,杂质对电池的影响与杂质浓度、电池温度、电流密度、毒化时间以及气体压力等因素有关。     

无增湿燃料电池冷却水道设计及数值模拟

针对一种基于自回水双极板的无增湿质子交换膜燃料电池,设计了阴极集流板的冷却水流道,使阴极集流板具有为反应气体增湿、回收反应生成的水和冷却燃料电池三方面的功能。利用CFD技术对一个由21个单电池组成的无增湿燃料电池堆冷却水道内部冷却水流动情况进行了数值模拟,分析了电堆水道内部压力和速度的分布情况。最后对电堆冷却水流道进出口压差进行了测试,测试结果与计算结果能较好吻合。     

交指型极板的质子交换膜燃料电池阴极模拟

介绍了采用交指型极板的质子交换膜 (PEM )燃料电池的工作原理 ,通过建立电池阴极数学模型揭示了电极内部的气体是通过强迫对流进行传递 ,指出这一传质机理能加快气体的传递 ,从而提高电化学反应速率 ;比较了采用交指型极板与常规极板的PEM燃料电池的局部电流密度和伏安曲线大小 ,指出交指型极板可提高电池的局部电流密度和极限电流密度 ,从而改善电池性能 ;最后指出增大电池进出口压差、减小气体扩散电极厚度以及增加极板流道个数都可以进一步改善采用交指型极板的PEM燃料电池的性能。     

质子交换膜燃料电池模压石墨双极板研究

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要部件之一,对于PEMFC的性能和成本都有很大的影响,是其商业化必须解决的问题之一。选用高分子双酚A型环氧树脂及线型酚醛树脂和导电材料膨胀石墨制作复合材料,将复合材料采用模压制作双极板。通过对极板的电阻、强度、致密性等指标的考查,提出了树脂含量、板密度的优选条件,并对所制作的双极板组装成的电池进行了测试,结果表明:电池性能及稳定性方面都能满足要求。     

燃料电池汽车动力总成方案分析

燃料电池车动力系统配置对提高燃料电池电堆效率,延长电堆寿命,以及优化整车的性能至关重要。分析了燃料电池车动力总成的七种配置方案的研究现状和优缺点,以及当前各大整车厂所采用的动力方案,结果表明燃料电池加蓄电池的动力方案与其他方案相比具有成本低、可靠性高等优点,是未来的发展趋势。同时分析表明电堆和电池之间的匹配、能量分配的优化控制是进一步提高燃料电池车性能的关键。     

质子交换膜燃料电池电堆系统建模与控制研究

首先介绍质子交换膜燃料电池(PEMFC)的单体结构和工作原理,并针对PEMFC电堆系统的复杂性,提出PEMFC电堆系统结构,系统结构包含PEMFC反应物供应、过程调节、水/热管理、输出调节和系统控制。然后在已有的PEMFC机理模型和经验模型的基础上,详细分析PEMFC电堆系统的数学建模,给出PEMFC电堆系统结构条件的划分、变量空间的建立、参数的选择和模型辨识。最后讨论PEMFC电堆系统控制的现状和发展,研究PEMFC电堆系统控制的特点,从应用的角度出发,提出基于模糊推理控制和广义预测控制的PEMFC电堆系统控制的可行方案。     

小型熔融碳酸盐燃料电池及电池堆的性能

以辊轧工艺制备的多孔金属镍板作阳极 ,多孔氧化镍板作阴极 ,以流延法制备的LiAlO2 陶瓷膜为电解质板 ,以(Li0 .62 K0 .3 8) 2 CO3 为电解质 ,组装了电极面积为 12 0和 3 12cm2 的单电池 ,考察了单电池在升温过程中开路电压和内阻的变化情况 ,以及不同的工作条件对电池和输出功率的影响。在单电池发电成功的基础上 ,分别组装了由 3片和 8片单电池构成的电极面积为 3 2 8.8cm2 的小型熔融碳酸盐燃料电池堆 ,并测定了电池堆的电压和输出功率。试验表明 ,随着工作温度的提高 ,单电池和电池堆的开路电压和输出功率均显著提高 ,并且 ,经过若干天的连续发电 ,其电压和输出功率基本不变 ,说明自制的LiAlO2 电解质板具有良好的热机械强度 ,而电极材料也保持了良好的电催化性能。试验还表明 ,在相同的工作条件下 ,由 3片和 8片相同的单电池组成的电池堆的电压和输出功率分别为单片电池的 3倍和 8倍 ,这表明使用该结构的单电池有望串联成输出功率更高的较大型的电池堆 ,以满足熔融碳酸盐燃料电池的基础研究之用。