Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用不同厚度Nafion膜 (Nafion 117,115 ,1135 ,112和 10 1)组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,通过测试电池极化曲线 (U/I) ,研究Nafion膜厚度对PEMFC工作性能、氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 ,通过线性回归分析不同厚度Nafion膜组装PEMFC的内阻计算了Nafion膜材料的电导率。实验结果表明 :( 1)降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻 ,从而有利于提高PEMFC的工作性能 ;( 2 )随着膜厚度的降低 ,U0 值有降低的趋势 ,Tafel斜率b值变化不明显 ;( 3)厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 ,其主要原因是质子传质极化引起的 ;( 4 ) 80℃时Nafion膜材料的电导率约为 0 .0 77Ω-1·cm-1。     

质子交换膜燃料电池模型的比较分析与仿真

介绍了燃料电池的经验模型、电化学模型和电压动态模型,并通过Matlab/Simulink仿真工具对这三种模型进行仿真.对比分析了PEMFC电化学模型和电压动态模型在负载电流发生阶跃变化时,电池输出电压、输出功率和效率的响应情况,进一步诠释了PEMFC的工作状态与机理,通过分析有助于PEMFC的模型优化以及控制器设计.     

PEMFC水含量的在线表征及暂态过程分析

采用电流线性扫描的方法,研究了暂态条件下PEMFC内氧还原反应(ORR)生成水量对电池性能的影响。利用微探针方法探讨了不同操作条件下燃料电池中膜内水含量的变化情况。结合电化学交流阻抗技术以及相关经验公式,分析了暂态条件下燃料电池MEA内水的扩散特性。结果表明,暂态过程中电流与电压之间的响应在秒级以内,而燃料电池的高频阻抗(HFR)变化相对于电流存在着明显的滞后现象(对于Nafion212在15～20s)。此外,还就燃料电池的吹扫操作进行了探讨研究,并对实验结果进行了理论分析和解释。     

阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池--水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据.模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律.通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上.建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实.     

基于不同电极位置的PEMFC运行特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种有巨大发展潜力的发电装置,特别适合成为新一代便携式电源和电动汽车的动力源。水是影响燃料电池性能的关键因素,良好的水管理是使其安全稳定运行和提高其性能的必要条件。在PEM燃料电池的阴极侧安装风扇,向燃料电池提供氧化剂和降低电池温度,通过实验,观察到在电池堆方向发生变化的情况下,PEM燃料电池性能及其内部传质情况会发生明显变化。实验结果发现:当电流密度较小时,电极方向对PEM燃料电池的性能影响不明显;当电流密度较大时,阳极在上、阴极在下时燃料电池性能优于阴极在上、阳极在下的燃料电池性能。     

膜电极性能的影响因素研究

文章以有机多孔膜为电极支撑体制备了亲水电极,用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。考察了电极在全氟代磺酸离聚物(Nafion)的玻璃化温度处理、催化层中Nafion的含量、以及不同厚度的有机多孔膜等因素对电极性能的影响。测试结果表明亲水电极中Nafion分子的有序排列可以减小电极的极化,减小作为电极支撑体的有机多孔膜的厚度有利于电极性能的提高。采用70%Pt/C制备电极时,Nafion的最佳含量为25%,在1000mA/cm2的电流密度下,电池电压为0.615V。     

质子交换膜燃料电池输出电压稳定控制技术

针对现今质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)输出电压不稳定、发电效率低下等问题,提出一种对质子交换膜燃料电池输出电压稳定性进行控制的方法。通过PEMFC的热力学电动势、欧姆过电压、总极化电压等相关参数对PEMFC动态模型进行控制,采用模糊比例-积分-导数PID(proportional integral derivative)方法设计PEMFC输出电压模糊PID控制系统。根据梯形函数调整期望输出电压,由氢气流速控制燃料电池的输出电压,实现质子交换膜燃料电池输出电压的稳定控制。通过仿真实验验证控制技术的有效性,结果表明所提方法可有效降低PEMFC电压振荡幅度,使PEMFC电压达到稳定状态,处理时间仅为4 s,说明电池电压稳定控制技术具有高效可靠性。     

PEM燃料电池流量及功率系统的建模

数学模型是理解和分析燃料电池性能的有效工具,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的建模是该技术发展和研究中的一个极为重要的问题。将结合已有的PEMFC建模方面的成果和本实验室PEMFC实验台的实验数据给出一种质子交换膜燃料电池系统的动态模型。该模型能够描述电堆电压、反应物流量以及反应物空间压力的瞬态响应过程。我们利用Matlab的SIMULINK对模型进行仿真,给出了负载电流以及反应物流量控制器给定电压阶跃变化时系统的瞬态响应,并对仿真结果和实验台实际运行数据进行了分析和比较。结果显示具有较好的一致性,证明此模型是PEMFC的实时控制系统以及最优化设计的一个有力工具。     

10kW PEMFC动态系统建模与控制

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)动态系统为研究对象。首先将质子交换膜燃料电池划分为氢气动态模型、空气动态模型、电化学电压模型和温度动态模型四部分建模;其次根据系统运行要求设计控制策略:氧气化学计量比前馈控制,阴极和阳极压力差PID控制和温度滑模控制;最后应用所建立的模型和控制策略对10 kW质子交换膜燃料电池进行仿真运行分析,结果证明所设计的系统能模拟PEMFC动态系统运行。     

温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

温度是燃料电池重要运行参数,为了研究温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响,通过Fluent软件的PEM模块模拟了不同运行温度下的单直流道阳极封闭式质子交换膜燃料电池性能。结果表明阳极封闭式燃料电池存在最佳运行温度;在低电流密度时,温度对电池性能影响较小,但在高温区影响变大;在高电流密度时,运行温度对电池性能影响较大。温度变化会使阳极流道内水、氮气的累积和氢气分布不均,这可能是温度对性能产生不同影响效果的直接原因。     

直接二甲醚燃料电池性能的初步研究

研究了阳极催化剂及电解质膜对直接二甲醚燃料电池(DDFC)性能的影响,并与直接甲醇燃料电池(DMFC)进行了比较.在低电压区,以Pt/C为阳极催化剂的DDFC性能较好;在高电压区,Pt-Ru/C的催化行为更好.DDFC的开路电压随着Nafion膜的增厚而升高,使用Nafion115膜的DDFC最大功率密度为46 mW/cm2.在低电流密度区,DDFC的性能优于DMFC;在高电流密度区,DMFC的性能较好,DDFC的最大功率密度约为相同条件下DMFC的84%     

质子交换膜燃料电池的热模拟

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的热问题模拟现状,根据研究问题的需要,对模拟相关的模型进行了描述,并应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟。从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论,得出了结论:热源、温度在质子交换膜电池内部分布的不均匀性和不同电流密度情况下膜电极组件的温差。电池性能曲线与试验结果进行了比较,模拟与试验结果基本吻合。     

多物理域质子交换膜燃料电池建模仿真及实验测试

燃料电池及其应用近些年逐渐成为研究热点,对于系统级的燃料电池运行工况分析及设计,底层的燃料电池本体模型显得至关重要。相比于已有的传统经验模型,重点提出了一种一般性的多物理域燃料电池分析模型,并从电化学域、流体力学域以及热力学动态域对质子交换膜燃料电池进行了精确建模。所提出的框架性建模方法可以适用于不同型号的质子交换膜燃料电池,同时也可以进一步拓展并应用于不同种类的燃料电池。随后以Ballard NEXA 1.2 kW质子交换膜燃料电池为例,对模型在不同工况下进行了仿真,并通过实验测试验证了所提出模型的有效性和准确性。在此基础上,可以展开相应的控制策略及电池本体运行分析,从而提升燃料电池系统的运行性能和工作寿命。     

微孔层对PEMFC自增湿性能的影响

提出了一种微孔层结构模型.制备了具有亲水/疏水复合孔结构的微孔层,并与涂有催化荆的Nafion212膜组装成单体电池进行性能测试.研究表明,制备的微孔层的保水性增加.在无外增湿的情况下与传统微孔层相比,制备的微孔层组装成的单体电池性能较好.在电流密度为400 mA/cm2时,电池的电压提高了约0.1 V,在一定程度上实现了电池的自增湿操作.     

面向控制的质子交换膜燃料电池机理建模及仿真

系统建模是控制系统设计的基础,建立了用于控制系统设计的质子交换膜燃料电池(PEMFC)集总参数动态模型。从质量守恒和能量守恒角度进行PEMFC机理建模。模型分为8个子模型,即风机动态模型、供应管腔动态模型、空气冷却和加湿器静态模型、阴极动态模型、回流管腔动态模型、阳极动态模型、质子交换膜中水传输模型以及电化学电压模型。通过Matlab/Simulink软件仿真分析,表明所建立的模型能模拟出PEM-FC内的压力、电压、温度以及能量的动态特性,为进一步的控制系统设计奠定了基础。     

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。     

反应气体加湿对PEMFC膜温度的影响

质子交换膜燃料电池内部水对交换膜的温度分布有着极为重要的影响,从而对燃料电池性能有着重大意义。以交指型结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.5 V对应的工作电流密度下为例,分析研究了阴阳极不同加湿程度对膜温差的影响以及阴阳两极加湿对电流密度和膜的温度的影响的比较。数据表明,阴阳极的加湿对于膜的温差有很大的影响,且在较低加湿条件下阳极比阴极加湿更能改善电池的性能和膜的润湿程度。