PEM燃料电池零下低温启动研究现状

目前质子交换膜燃料电池的零下低温启动问题仍是制约其大范围推广的一个重要原因.本文主要阐述了质子交换膜燃料电池的低温启动过程水热机理,分析了当前低温启动工况水热性能研究的主要方向:电池结构设计、冷启动操作参数和冷启动策略,对质子交换膜燃料电池的低温行为特性及低温损伤研究现状进行概述总结,并对未来低温启动的研究方向提出建议.     

燃料电池发动机低温冷启动热平衡建模与实验研究

质子交换膜燃料电池发动机低温冷启动性能是制约燃料电池发动机广泛应用的关键指标之一,燃料电池发动机系统的电池堆、BOP部件以及控制策略的不同会影响发动机的低温启动特性.本文设计了燃料电池发动机热管理系统,制定了控制策略,在此基础上建立了燃料电池发动机低温冷启动过程的热平衡模型,对发动机低温冷启动所需热量进行预测分析,并将模型计算热量与低温测试实际热量值进行了对比,验证了计算模型的准确性,为低温启动过程的精确控制提供预测依据.     

燃料电池低温储存、启动热平衡建模与分析

质子交换膜燃料电池发动机低温冷启动性能是制约燃料电池发动机广泛应用的重要指标,合理的停机保温设计和启动策略能极大提高低温冷启动成功率、加快启动速度、减小膜电极损伤、延长燃料电池使用寿命。采用传热学原理,结合燃料电池物性参数,建立了燃料电池系统启停过程动态热平衡计算模型,并基于该模型对燃料电池在不同降温速度、不同低温储存温度和不同保温设计下的启动能耗等进行计算和对比分析研究。研究计算表明,所归纳的模型、计算方法和结果,可为工程应用提供降温时间、降温速度、保温所需厚度的数据参考,并指导选择燃料电池的低温储存环境,计算并使用合适的保温材料厚度,降低低温环境对燃料电池伤害、保障低温顺利启动、减小低温储存和启动能耗。     

质子交换膜燃料电池低温标准的研制

本文阐述了质子交换膜燃料电池中水含量对质子交换膜性能的影响;总结了目前质子交换膜燃料电池冷启动的方式及研究进展;介绍了我国目前《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》标准项目的研究内容。在此基础上,进一步阐述了我国《质子交换膜燃料电池低温特性测试方法》国际标准提案的研制情况。最后,提出了质子交换膜燃料电池低温标准研制的重要性。     

氢气催化氧化法冷启动对PEMFC电堆衰减的影响

利用氢气催化氧化法对质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆进行-32°C的低温启动,结果表明在经过10次冷启动后,电堆整体输出性能没有明显衰减.然而通过对该短堆进行解析发现膜电极组件(MEA)存在局部衰减,主要是电堆出口和入口处对应区域的MEA发生了衰减,其中出口处的衰减更为明显.通过对电堆入口、中间和出口区域的电极进行循环伏安、电化学阻抗和线性扫描伏安测试,结果表明:入口处的电极衰减主要来自于催化剂的团聚或者流失以及水结冰导致的膜的氢气透过性增加;出口处的电极衰减主要来自于催化剂的团聚或者流失.     

国产材料燃料电池膜电极的性能研究

为降低燃料电池成本,促进国产燃料电池关键材料的广泛应用,利用国产石墨碳纸、国产全氟磺酸质子交换膜、国产Pt/C催化剂等燃料电池关键材料,采用基于固体电解质支撑催化层的工艺制备了膜电极多层组件.并组装了常压氢-空质子交换膜燃料电池,并对电性能进行了测试分析.通过对国产材料膜电极催化剂层载量、平整层载量以及制备工艺的优化,制备出了性能稳定的高性能国产材料膜电极.实验结果表明,在常压、操作温度为60℃、加湿温度50℃的条件下,国产材料H2-Air燃料电池的最高比功率可达到0.55 W/cm2.实验表明.国产材料膜电极活性面积从5cm2增大到25 cm2.电池在0.5 V至开路区间的电性能几乎没有衰减,为大面积电堆的应用打下了坚实的基础.     

密封层厚度对国产材料燃料电池性能影响

以国产材料膜电极燃料电池单电池为研究对象,改变质子交换膜燃料电池密封层的厚度,比较三个单电池的极化曲线和内阻变化.进一步对碳纸表面纤维结构扫描结果进行分析,得出一个合理的密封层厚度,为组装大面积的国产材料膜电极燃料电池电堆打下了基础.     

Nafion 浸渍的 PEMFC 氧电极性能研究

研究了气体扩散层对聚合物电解质膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）膜电极性能的影响,并比较了Ｎａｆｉｏｎ浸渍和ＰＴＦＥ粘接两种电极制备工艺,分析了采用Ｎａｆｉｏｎ溶液浸渍氧电极后性能提高的原因。实验发现：气体扩散层影响膜电极性能,采用低电阻值的碳纸有利于膜电极性能的提高;采用Ｎａｆｉｏｎ溶液浸渍ＰＴＦＥ粘接的电极显著提高了电极性能,这归因于氧还原反应三维反应区的扩展。     

一体式再生燃料电池双效膜电极的研究

对一体式再生燃料电池双效膜电极进行研究,重点考查了膜电极制备工艺、双效电极催化剂和扩散层材料的影响,并用(SEM)对膜电极表面结构进行表征。结果表明:采用CCM工艺制备的双效复合膜电极表现出优异的燃料电池和水电解双功能特性以及循环稳定性,在燃料电池模式运行时,工作电压为0.708 V@1 000 mA/cm2;水电解模式运行时,工作电压为1.623 V@1 000 mA/cm2,URFC循环运行100 h,电池表现出良好的稳定性。膜电极表面结构和极化特性分析表明:CCM膜电极制备工艺实现了催化层和质子交换膜的一体化,改善了电极与质子交换膜界面稳定性,提高了膜电极的电性能和循环稳定性。IrO2扩散层提高了膜电极在高电解电位下的耐蚀性能,促进了膜电极在循环运行中的稳定性。     

金属离子对质子交换膜燃料电池性能的影响

研究了金属离子对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响.通过将质子交换膜、电极催化层、扩散层(GDL)在模拟电池生成水的离子溶液(Ca2 、Mg2 、Na )中浸泡不同的时间,考察了Nafion NRE-212膜和催化层中氢离子含量、扩散层的接触角,并通过组装电池比较了处理不同时间的膜、催化层压制成电极后的膜电极性能.结合循环伏安技术分析了金属离子对电极催化层的影晌.实验结果表明随着浸泡时间的增加,膜中和催化层中氢离子的浓度都逐渐下降,当膜中H 浓度降为原来的20%以下时,电池几乎不能放电;而催化层中下降为原来的27%时,电极性能却下降不大.说明在相同浓度的金属离子溶液中,催化层中氢离子受金属离子污染程度比膜受污染程度小.     

PEMFC冷起动仿真模型发展现状及进展

数学模型是分析和优化燃料电池冷起动性能的有效工具,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的模型研究是其技术发展中必不可少的环节。对质子交换膜燃料电池冷起动模型研究情况进行了详述,分别介绍和分析了六种典型的冷起动模型,并指出质子交换膜燃料电池冷起动模型今后的研究方向。     

质子交换膜燃料电池膜电极铂担载量分析测定

膜电极组件(Membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部分,其催化层的铂含量与电池的性能和成本密切相关.通过直接处理MEA的方法得到测试样品,然后用三种方法(石墨炉原子吸收光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱和极谱分析法)分别测定其铂含量.通过对比三种方法的测试结果和理论计算值,建立了一种准确、方便的膜电极处理和铂担载量测试方法来分析、评价PEMFC的关键材料--MEA.     

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。     

质子交换膜燃料电池热管理研究

论述了质子交换膜燃料电池热管理的重要性以及对电池性能的影响,指出了质子交换膜燃料电池热管理的设计要求,分析比较了目前燃料电池几种常用的冷却方式,介绍了燃料电池涉及电池温度的CFD模型以及温度控制仿真模型。     

质子交换膜燃料电池性能衰减研究进展

对近年来出现的关于质子交换膜燃料电池寿命和稳定性方面的研究成果进行了总结,电池性能衰减是由几种关键材料性能的下降所引起的,包括电解质膜的阳离子效应、电催化剂中毒与老化、电极结构的变化和其他材料的变质降解等,对这些原因分别进行了介绍,同时重点介绍了电池水平衡对电池的性能和稳定性的影响,以及电池的“反极”现象对电池组寿命的影响。     

质子交换膜燃料电池技术进展

通过对近年来燃料电池专利的研究 ,对质子交换膜燃料电池 (PEMFC)研究中的关键问题 ,如聚合物电解质薄膜、催化剂、电极和电极膜组件制备工艺、流场的设计模式等进行分析 ,简单介绍了聚合物电解质薄膜、高活性催化剂、高性能电极和电极膜组件的制备工艺以及流场设计模式的发展和现状。指出提高电极的交换电流密度 ,降低电池的内阻是提高电池性能的基础 ,合理的流场设计模式是电池整体性能稳定的保障 ,各个因素相互影响。     

质子交换膜燃料电池电极结构的扫描电镜分析

质子交换膜燃料电池采用固体聚合物膜为电解质,简化了电池的水和电解质管理;薄的电解质膜使其可以获得非常高的比能量;高度可靠性和环境友好使其在用于航天、陆地和水下设备电源等方面具有广泛的应用前景。良好的电极结构是获得高的电池性能的先决条件。本文采用扫描电镜,对质子交换膜燃料电池的铂电催化剂、电极表面和电极切面等进行了分析。结果表明：只有良好地分散,催化剂才有较大的表面积;电极的催化层经热压后,厚度减薄一半;在电极内过多地浸入Ｎａｆｉｏｎ将增大电解质电阻,采用喷涂法向电极内浸入Ｎａｆｉｏｎ易在电极表面形成一层电解质薄膜,造成电极内Ｎａｆｉｏｎ不足,表面过剩,减少电极反应界面和增大质子传递阻力。     

质子交换膜燃料电池催化层设计与优化

催化层作为质子交换膜燃料电池进行电化学反应的重要场所,是膜电极的核心组成部分。叙述了催化层的组成及结构,并评述了近年来人们在催化层设计及优化方面取得的最新研究进展。     

PEMFC不同冷起动方法的仿真研究

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷起动的瞬态集总参数模型,并在Matlab/Simulink平台上建立了相应的仿真模型.采用不同的加热方法使电堆达到冷起动的要求,并对电堆的冷起动特性进行仿真分析,得到电堆不同加热方法的内部温度分布规律,为确定电堆冷起动的方案提供理论依据.     

质子交换膜燃料电池低温启动特性研究

提出了一种冷却介质辅热的燃料电池系统低温自启动设计方案,并基于二维非稳态模型研究了单电池与电池堆在低温启动过程中温度的动态分布特性。研究结果表明,电池堆端板的热容效应与冷却液流速分布是影响电池堆温度分布的主要因素。降低燃料电池端板的热容及电堆的轻量化设计将有助于提高电池的低温启动能量效率与工作寿命。