质子交换膜燃料电池的阳极分析与优化

以聚集体模型描述催化层结构,自由堆积球模型计算催化层的有效质子和电子传导率,建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维稳态数学模型,目的是研究阳极结构和工作条件的优化。模型方程涉及气体传输、质子和电子传导以及电化学反应等过程。一致的实验数据和模拟结果验证了模型的有效性。计算结果表明,阳极气体中的水含量在一定范围内会通过膜电导率影响燃料电池性能;阳极扩散层厚度和孔率等对燃料电池无明显作用;阳极催化层中过低或过高的电解质含量会恶化PEMFC的极化行为;阳极催化层的催化剂载量还有进一步降低的潜力。     

阴极液态水对质子交换膜燃料电池性能的影响

模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜中水传递、反应气体传质和电化学反应过程,研究了液态水对阴极氧气传输阻力和燃料电池电化学性能的影响。计算结果表明,催化层,尤其是催化层中气相和电解质相界面是影响氧气传质阻力的重要因素。液态水膜会由于氧气极低的溶解度而显著增加氧气传质阻力,降低燃料电池的电化学性能,并且,其影响会随水膜厚度和对孔隙覆盖度的增加而明显增强。     

PEMFC树状分形流场传递过程的数值分析

对树状分形流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了三维数值模拟。建立了三维稳态两相等温模型来研究树状分形流场燃料电池内的流体流动、多组分的传递过程和电化学反应过程。分别从PEMFC在大电流密度时和小电流密度时的氧气浓度、水蒸气浓度、液态水浓度和膜中的水含量、电流密度来进行了讨论。结果表明:在大电流密度下物质的传输速度变大,阴极生成更多的液态水,流场和扩散层中的氧气浓度要比低电流密度时要小。膜中的水含量在流道入口处最小,故此处膜对质子的传递性能最差。     

泡沫金属在PEMFC流场中的应用

优化流场结构，可提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的反应物气体传质和输出性能。泡沫金属是具有高孔隙率和高导电性的多孔材料。建立以泡沫金属为阴极流场的三维单相等温PEMFC模型，并与平行流场、波浪形流场和蛇形阴极流场模型对比，分析化学计量比对PEMFC氧气摩尔分数及电流密度的影响。泡沫金属作为阴极流场，可提高气体扩散层和催化层的反应物气体浓度，从而提高电化学反应效率；工作电压为0.30 V时，燃料电池的电流密度比蛇形流场的提高了38.84%;提高化学计量比，可提高反应气体的摩尔分数及输出性能，当阳极化学计量比从1.5提高到3.0时，气体扩散层(GDL)中的平均氢气摩尔分数提高41.02%,电流密度提高51.80%。     

质子交换膜燃料电池的三维数学模型

采用聚集体模型描述催化层结构,建立了包括蛇形流道、扩散层、催化层和电解质膜的质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维流体力学模型.模型方程借助Fluent 6.0求解.模拟极化行为与实验结果一致,证实了模型的有效性.给出了流场和工作电流密度等参数的空间分布.计算表明:在一定范围内增加催化层孔隙率和电解质含量,会降低燃料电池的性能.模型适合于考察催化层参数对PEMFC的影响.     

Na~+对PEMFC Pt/C气体扩散电极的影响

采用燃料电池半电池体系模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)中Na+污染气体扩散电极时的工况,研究了Na+对PEMFC常用的Pt/C气体扩散电极性能的影响.通过循环伏安曲线和电化学阻抗谱,测试了电极在Na+污染前后催化层电化学比表面积(ECA)和电极反应界面上的电荷转移电阻发生的变化.实验结果表明,随Na+污染浓度的增大,电极性能逐渐下降;污染后电极催化层电化学活性比表面积出现明显减少,当污染物浓度为10 000X 10-6时,ECA降低了43%;外加相同电位时,随Na+污染的增加,电极反应界面上的电荷转移电阻逐渐增大.Na+的存在对Pt/C气体扩散电极具有明显毒化作用.     

蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟

为了研究蛇形流场质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出性能,分析其性能的影响因素,寻找改善其性能的方法和途径。基于多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,建立了包括阴阳极流道、扩散层、催化层及质子交换膜在内的完整的PEM燃料电池三维全流场稳态模型,在COMSOL中利用该模型对蛇形流场PEMFC进行了数值模拟和分析。模拟结果得出了在工作电压为0.7 V的条件下,蛇形流场的流型以及质子交换膜的电导率对PEMFC输出性能的影响。分析表明三蛇形流场的性能优于单蛇形流场;随着质子交换膜电导率的增大,膜内传质得以改善,可以降低传质过程中的电阻损耗,提高燃料电池的性能。模拟结果对于改善PEMFC整体性能有着重要的指导意义。     

燃料电池催化层纳微米结构模拟研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化层内部含有复杂的纳微米尺度的孔结构,对电化学反应及各种传递过程的发生和电池的宏观性能有着显著影响,是当前研究的重点和难点。基于大分子团的纳微米尺度模型能够用于PEMFC中多组份功能材料制备过程相关的结构分析和数值解析,可有效分析工艺过程对催化层微观结构的影响,以期从微观模型入手,解决诸如理论最优铂担载量、最优Nafion或PTFE含量,以及碳腐蚀机理等问题,为燃料电池跨尺度、多物理场耦合过程的模型建立打下良好的基础。     

表面改性不锈钢双极板的性能研究

双极板是质子交换膜燃料电池的重要的多功能组件.不锈钢材料由于具有良好的耐腐蚀性能成为金属双极板理想的选择.但其表面高电阻的钝化膜会降低电池性能.测定了经过镀铬后再离子氮化的304不锈钢在模拟PEMFC环境下的电化学性能,测量了氮化层与碳纸之间的接触电阻.结果表明,该表面改性方法使304不锈钢在模拟PEMFC阴极和阳极情况下的钝化电流密度降低,均低于双极板设计标准16 μA/cm2;改性后的304不锈钢的接触电阻值降低,电性能得到了提高.     

质子交换膜燃料电池电堆CFD仿真模型发展综述*

近年来,由于实验的研究时间长、成本高,因此许多不同的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)单电池和电堆的计算模型和仿真得到了迅速发展,数值模拟在研究PEMFC的内部机理、输出性能等方面具有降低成本、提高效率等优势。介绍了PEMFC的运行机理,并利用计算流体力学(CFD)方法探讨了PEMFC的研究结果及研究进展,最后对利用数值模拟研究PEMFC进行了总结和展望,可对相关研究提供进一步的参考。     

PEMFC催化层中Nafion含量梯度优化研究

提出了一种新的催化层结构,该催化层中的Nafion从内向外成梯度增大。测试显示,新结构的催化层相对于常规催化层不仅开路电压高,而且单电池性能同样优于常规催化层。CV测试结果显示,催化层中Nafion含量的变化对阴极电极中Pt催化剂活性面积影响很小;新电极不仅电阻小,而且具有良好的气体传递能力和排水能力。     

基于三维非稳态PEMFC模型的冷启动仿真

建立了一种PEMFC三维非稳态单相数学模型.针对PEMFC阴极通入热空气这一辅助冷启动过程进行仿真研究,研究了通入电池阴极热空气温度和流量的变化对电池辅助冷启动过程的影响,为优化PEMFC阴极通入热空气的辅助启动策略提供理论依据.     

Pt-TiO_2/C催化剂在高温PEMFC中的耐久性

通过两步法制备了掺杂磷酸的聚苯并咪唑(PBI)高温质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极用的Pt-TiO2/C催化剂.通过对比加速老化实验(AAT)前后电池的输出性能和催化剂形貌,研究了Pt-TiO2/C与Pt/C催化剂在PEMFc中的耐久性.当电流密度为1 000mA/cm2时,AAT导致用Pt-TiO2/C催化剂的单体电池的输出电压降低48 mV,低于用Pt/C催化剂的85 mV.AAT导致Pt/C催化剂的平均粒径由4.8 nm增大到16.9 nm;而Pt-TjO2/C催化剂仅由6/0 nm增大到9.6 nm.     

两种分块化PEMFC模型的仿真比较分析

分块化方法是将单片质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)沿阳极和阴极流道划分成15个连续的子模块;然后将每个子模块视为1个独立的PEMFC集总模型,用第n个子模块的输出(即气体摩尔流量和压力)作为第n+1个子模块的输入;最终获得单片PEMFC内部的电流密度分布和膜中水含量分布。基于此建模方法,分别建立了稳态和动态的分块化PEMFC仿真模型。仿真结果对比表明,动态分块化PEMFC模型不仅能预测电流密度分布和膜中水含量分布,还能较为合理地描述PEMFC的动态特性。     

不同流场的PEMFC性能研究

改进了一个耦合气体流道和气体扩散层的两相、三维和多组分质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型,研究4种流道形式对PEMFC输出性能的影响。设定温度为70℃,有效面积为3.61 cm~2的情况下,发现单边交指单蛇形流道的性能最好,单蛇形流道的性能最差。阳极流场的形状对PEMFC性能的影响不大。单边交指单蛇形流道的阴极氧气浓度分布最均匀,浓度差值为6.41 mol/m~3,同时排水性能最好,阴极流道内水浓度差值为10.25 mol/m~3。     

一种考虑催化层结构参数的PEMFC气相模型

质子交换膜燃料电池的结构设计对燃料电池车的开发具有重要意义。目前的电池模型通常把催化层简化成一层薄膜,作为边界条件使用,无法分析催化层结构对电池性能的影响。建立了考虑催化层结构参数的一维气相模型,通过有限元法研究电池内部的流场和电场分布。仿真结果和实验符合良好。分析指出扩散层的孔隙率对电池性能影响较大,应高于0.3,催化层的孔隙率对电池性能影响较小。在催化剂载量不变的情况下,催化层厚度应为10~20 mm。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

直接甲醇燃料电池中多物理量分布的一维模拟

为了研究直接甲醇燃料电池(DMFC)内的电流、电位和各物质的浓度等物理变量的分布,建立了沿电池厚度方向的一维模型。模型的研究区域包括阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层。模型中较细致地描述了甲醇氧化的多步骤复杂反应,而催化层结构采用团聚体模型来描述,模型中还考虑了甲醇穿透对阴极氧气反应的影响和甲醇进料浓度对各物理量分布的影响。从模拟结果可以看到,在阳极扩散层由于甲醇氧化反应速率较大,甲醇在阳极催化层两侧的浓度梯度大于阳极扩散层浓度梯度;由于扩散层厚度远远大于催化层厚度,甲醇在阳极扩散层的浓度差比在阳极催化层的浓度差大;在阴极催化层由于甲醇氧化反应速率较小,甲醇浓度变化很小;电池内膜相电位不同导致各处过电位不同。