PEMFC膜电极的研究进展

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极的研究对降低质子交换膜燃料电池的成本以及提高其性能具有重要意义。研究了构成膜电极的各部件，分析了高性能部件在商业上普及的可行性。综述了构成膜电极的各关键部件的研究现状，对其发展趋势进行了展望。     

炭材料作为电催化剂载体在PEMFC中的应用

综述了电催化剂炭载体材料的研究进展,内容包括炭载体对电催化剂以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,和一些其他炭材料(除炭黑外)在电催化剂载体中的应用。     

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。     

5kW氢-空质子交换膜燃料电池堆的模型研究

采用机理模型和经验模型相结合的建模方法建立了一个5kw质子交换膜燃料电池堆实际装置的电化学模型。利用电池堆与单电池之间的内在关系,首先给出了单电池的数学描述,进而建立燃料电池堆的数学模型,其中包括热力学平衡电势、活化极化电势和欧姆极化电势等表达式,以及单电池内阻的经验公式。由于难以得到机理方程中的某些关键参数,因此采用实验设计,获得燃料电池堆的实验数据,运用线性回归的数学方法获得机理模型中活化极化电势方程中的相关参数,通过模拟研究和模型验证,所建立的模型可以较准确的描述燃料电池的极化曲线,预估出燃料电池的输出电压。     

PEMFC金属双极板

目前 ,金属双极板正以其特有的优点得到了许多 PEMFC研究者的重视。介绍了一些 PEMFC金属双极板的材料组成和加工方法以及目前金属双极板的研究情况和发展趋势 (涂层技术 ) ,并提出了制约其发展的主要因素。     

分体式质子交换膜燃料电堆的膜加湿实验

在已开发的分体式质子交换膜燃料电池电堆基础上,对膜（Nafion115）加湿器子系统进行了详细的研究,揭示了质子交换膜燃料电池膜加湿方法的特性.初步分析了膜加湿的原理,并在不同操作条件下,定量地对膜透过水量与反应气体的润湿程度进行了测量,得到了Nafion115膜加湿器对电堆的润湿性能.发现操作温度在50～70℃之间,加湿速率最强;随着反应气体流量的增大,加湿速率呈非线性增加,但润湿程度反而降低;增加质子交换膜面积会增大反应气体的相对湿度,而加湿速率将下降;较高反应气体压力下不利于加湿.在适当的膜加湿器工况下,当电流密度为2.1A•cm^-2时,电堆最大功率密度可超过1.2W•cm^-2.     

燃料电池发动机电堆散热的控制

在对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行热分析的基础上,搭建起36kW的燃料电池发动机散热系统的测试平台。借助测试平台,对燃料电池散热系统作了极端工况测试分析。分析表明,该散热系统能满足系统的散热要求。此外通过对不同组合散热风扇的散热能力进行了测试,积累了大量的基础数据和控制经验。最后以电堆出水温度误差、温度误差变化量和燃料电池功率为输入量,散热风扇的运行组数为输出量,制定出一套三维模糊控制规则。结果表明,该模糊控制规则能够保证燃料电池工作在最佳温度区间,温控误差符合设计要求。     

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。     

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系统(PEMFC)的控制策略综述

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统进行了简单的介绍和控制特点分析,并对其控制策略进行了综述,分析和比较了包括常规PID控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制以及在此基础上的多种复合控制策略,最后结合国内外至今的相关研究成果,展望了质子交换膜燃料电池系统控制策略的研究方向和发展前景。     

Novel Polysilsesquioxane Hybrid Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Applications

Abstract

Novel polysilsesquioxane (R–Si–(O)_1.5) PEMs with highly cross-linked Si–O backbones and pendant organic side chains comprising propylsulfonic or ethylphosphonic acid groups, were prepared via sol-gel polymerization. The inorganic component provides thermal/mechanical/chemical stability while the organic component gives flexibility and proton-conducting properties. The propylsulfonic acid membranes exhibited proton conductivities (σ) up to 10^?2 S/cm at high relative humidities and temperatures, while the ethylphosphonic acid membranes showed lower proton conductivities but higher thermal stabilities. Preliminary results for the propylsulfonic acid membranes in direct methanol fuel cell (DMFC) performance are reported.     

杂质气体对质子交换膜燃料电池性能影响的研究进展

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）的商业化进程受到了其耐久性的严重制约。燃料气体中含有的微量CO、CO2、H2S和NH3等杂质以及空气中含有的NOx、SOx等污染物是影响PEMFC耐久性的最主要因素之一。本文综述了燃料气体杂质和空气污染物分别对PEMFC性能的影响及其机理,其中燃料中含的CO除了能影响PEMFC的阳极性能以外,还可能通过扩散传质过程对电池阴极性能造成影响;H2S不仅能对电池阳极性能造成严重的影响,也可能对电池阴极性能造成明显的破坏;而空气中的微量NOx会对PEMFC性能造成明显的影响,但NOx对电池性能的影响是一种可逆过程。最后指出对杂质气体影响PEMFC耐久性的研究需要将计算机模型和实际试验相结合,用模型数据指导实验的进行,同时有必要考虑杂质对PEMFC电堆性能的影响。     

Effects of Nafion impregnation on performances of PEMFC electrodes

The effect of Nafion loading on the electrode polarization characteristics of a conventional proton exchange membrane (PEM) fuel cell electrode has been investigated in terms of both H₂/O₂ and H₂/air performance. Correlation of Nafion loading with the activation polarization characteristics shows an initial increase of activity upto a loading of 1.3 mg/cm² followed by a more gradual change with maxima at 1.9 mg/cm² for both oxygen and air. This trend correlated well with the decrease in charge transfer resistance and increase in the electrochemically active surface area. The contributions to the linear ohmic polarization region of both the H₂/O₂ and H₂/air performance are predominantly from ionic resistance as well as diffusional contributions in the catalyst layer. Among all the polarization losses those due to mass transport were the highest. Fits using a thin film agglomerate model showed a rapid increase in the film thickness with Nafion loading in the pores of the carbon of the catalyst layer followed by an equilibrium of 800 Å thickness at a Nafion loading of 1.9 mg/cm². Further additions caused deeper penetration of this Nafion film into the catalyst layer increasing the diffusional pathways for the reactant gases. These results correlate well with the mass transport characteristics in O₂ and air as well as morphological characterization of the electrode based on SEM and pore volume distributions.     

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.     

质子交换膜燃料电池可视化研究进展

质子交换膜燃料电池(包括氢氧质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池)内的两相流动以及相应的水管理、气管理对燃料电池的性能和寿命有很大的影响,而可视化方法是研究流场槽道内两相流动非常重要的方法之一。可视化实验可以真实地展示气泡或液滴在流场槽道内的生成以及发展过程,有利于了解其进化机制,从而进一步优化气管理、水管理并提高电池性能。本文主要综述了质子交换膜燃料电池两极流场内两相流动的可视化研究进展,讨论了扩散层的润湿性以及扩散层内水的传递机理,还介绍了实现可视化的方法,并提出了可视化研究的不足及发展方向。     

甲醇重整气为燃料的质子交换膜燃料电池

进行了甲醇重整气与燃料电池的联合试验。与PEMFC配套的甲醇制氢氢源系统运行稳定,出口氢浓度为43-45%,CO含量为0-6ppm,压力控制在0.22~0.25MPa(表压)。单对电池氢的利用率可达到83%,电池排氢浓度为12%以下。不同氢源下PEMFC性能从高到底的顺序为纯氢、甲醇重整气、配气。单电池试验表明,微量的甲醇或二甲醚对电池未发现明显的影响。     

高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池解决了传统质子交换膜燃料电池催化剂易受CO等杂质气体毒化、水热管理复杂等问题,成为当今燃料电池发展的主要方向。高温质子交换膜是实现高温操作的关键部分。本文结合质子传递机理,分析了以水作为质子溶剂、非水质子溶剂质子交换膜以及无机固态质子导体膜的研究现状,认为有机/无机复合膜和非水质子溶剂膜,尤其是其中的磷酸掺杂的PBI膜是高温质子交换膜的发展方向。     

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。