质子交换膜燃料电池

燃料电池是利用电化学反应原理,以氢或富氢物质为燃料,高效率、无污染排放的发电装置。由于对环境保护的要求越来越多,加之地球所储化石能源的日渐枯竭,人类迫切需要寻求资源丰富、洁净、高效的新的能源。经过长期坚苦卓绝的努力,人们终于找到了氢能,而燃料电池,则是使用氢能最佳的工具。随着科学技术的不断进步,燃料电池呼之欲出,商业化运用近在咫尺。 受编者之邀,以此文向《电器工业》杂志的读者朋友介绍一下我所认识的燃料电池。     

燃料电池质子交换膜概述

高性能、低成本质子交换膜的开发对于清洁、高效燃料电池技术的广泛应用具有重要意义。本文从质子交换膜的性能要求出发,重点概述了本体质子交换膜和复合质子交换膜的结构特点、性能优势与不足及其制备技术,并展望了质子交换膜的研究方向和发展趋势。     

质子交换膜燃料电池故障诊断

近些年来,对质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的研究有了很大的进展.但仍有许多问题尚未解决,特别是故障诊断和系统稳定性问题.针对PEMFC的两种典型故障--电极水淹和质子交换膜脱水进行研究.提出一种适于在线故障诊断的模糊模型,并用蚊群算法对模型参数进行优化.最终通过对模型输出的大小和变化率设定两个阈值,得出了判别两种故障的方法.     

高温质子交换膜燃料电池系统可靠性分析

可靠性是影响高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)系统结构设计及实用化程度的重要指标之一。使用可靠性框图和采用马尔可夫模型的状态空间法分析了HT-PEMFC系统的可靠性,其中可靠性框图用于评估不可修复系统的可靠性,根据HT-PEMFC系统的可靠寿命及辅助系统各组件可靠性数据,评估了燃料处理器和燃料电池电堆的故障率及平均工作时间(MTTF)。采用马尔可夫模型的状态空间法用于评估可修复系统的可靠性,在1 000 h后系统可靠性为93.49%,3 000 h后系统可靠性保持稳定,约为92.20%,表明系统维护有利于提高系统的可靠性;此外若增加系统各组件的维护频率(修复率),可大幅提升系统在额定功率状态的概率和系统的可靠性。     

质子交换膜燃料电池的热源分析

根据伏安曲线分析了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极热源项和能量损耗比例。研究了PEMFC的电极过程特性以及对电池能量转化效率和热源的影响。在标准状态下,电池以0.60 V的电压工作时,实际能量效率为40.5%。     

质子交换膜燃料电池极限电流密度分析

从分子运动理论出发,考虑扩散层对传质影响,按照扩散规律,建立一定的模型,对氢氧质子交换膜燃料电池的阴极和阳极极限电流进行了理论研究和具体计算。结果表明：极限电流都随扩散层厚度的增加而显著下降。在温度为60℃、压强为1个标准大气压的标准状态下,扩散层厚度为零时,氢气和氧气的极限电流密度最大分别为2.18×10^5A/cm^2与5.45×10^4A/cm^2;当扩散层厚度为0.2mm时,极限电流密度分别降至1.5×10^3A/cm^2和2.2×10^2A/cm^2。     

质子交换膜燃料电池数学模型评述

比较和分析了不同的质子交换膜燃料电池数学模型,指出了各自优缺点。其主要结论是高电流密度时,膜电阻是主要的过电位损失;当采用空气为氧化剂时,质量传递阻力是电池性能的重要限制因素;电池伏－安曲线偏离线性区的原因是扩散层被水淹;水在膜内传递主要是电迁移和扩散,二种相反作用的结果使膜中净水传递为０．２（Ｈ２Ｏ／Ｈ＋）左右;为了防止高电流密度时,膜阳极侧失水,使膜电阻增大,必须对阳极反应气进行增湿,空气做氧化剂时,阴极亦应适当增湿;排热对水管理有重要影响,必须同时考虑水平衡和热平衡。     

质子交换膜燃料电池开发现状

论述了单体质子交换膜燃料电池(PEMFC)的技术现状.介绍了国内外PEMFC的研究进展,趋于成熟的贮氢技术,以及未来展望.     

质子交换膜燃料电池阴极数学模型

Ｓｔｅｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程用于氧在扩散层内传递;稳态连续方程和Ｆｉｃｋ 第一定律分别用于氧在催化层内气体通道和电解质膜中传递,采用一维宏观均匀模型,建立了质子交换膜燃料电池氧电极的数学模型。给出了反应速度和氧气浓度在催化层内分布,并分析了各种参数对氧电极性能的影响。结果表明：（１）当催化层内气相孔隙率为０．０１以上,则氧在催化层内浓度分布就趋于均匀;（２）催化层厚度为２５ μｍ 左右最佳,过厚影响传质,过薄不能提供足够的反应界面;（３）提高催化层内质子电导和催化剂的有效表面积将极大地提高电极性能;（４）低电流密度时,反应在催化层内分布均匀;高电流密度时,反应集中在催化层靠近扩散层一则。     

质子交换膜燃料电池发展现状

介绍了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的结构、组成和工作原理，叙述了不同质子交换膜的来源特点及导电性与膜参数的关系；对不同电极和电极催化剂性能作了评述；综述了目前几种氢的来源、优缺点及质子交换膜燃料电池有关问题的发展动向和前景。     

质子交换膜燃料电池流道设计

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源.双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件,其质量占电池堆60%以上.流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响.系统地综述了现有的流道设计,剖析了流道的功能及其对电池性能的影响,并在此基础上讨论了流道设计的发展趋势.     

常压空气质子交换膜燃料电池

常压空气质子交换膜燃料电池,采用阴极与阳极均为平行沟槽流场的石墨双极板。MEA采用DuPond公司制造的Nafion112质子交换膜、碳纸采用SGL碳纸,碳载铂为自制催化剂。电池堆的工作条件为室温,氢气压力为0.01～0.02MPa,以空气为氧化剂。电池堆输出功率为200W,峰值功率400W。     

质子交换膜燃料电池系统控制研究

为了保持质子交换膜燃料电池的输出功率最大化,文章针对 DCＧDC变换器设计了一种滑模控制器,在 Matlab/Simulink中进行仿真分析.与传统的 PID控制器相比,所设计的滑模控制器动态响应快,抗干扰性能更强,具有 较好的控制效果。     

千瓦级质子交换膜燃料电池

组装了一台40节千瓦级质子交换膜燃料电池。双极板采用复合板,阴极侧流场采用蛇型流场,而阳极侧流场采用平行沟槽流场。电极采用杜邦公司的Nafion1135质子交换膜热压而成,碳载铂为电催化剂,铂担量为0.4mg/cm2,电池组工作温度范围为室温至80℃,工作压力pO2,空气/pH2=0.20MPa/0.19MPa,以氧气为氧化剂时电池组输出最大功率为2 5kW;以空气为氧化剂时电池组输出最大功率为1.2kW。     

质子交换膜燃料电池水管理

针对电池中膜电极失水或被水淹没两种情况对电池的危害,论述了水管理是质子交换膜燃料电池取得良好性能的关键因素之一;介绍了增湿方法包括外增湿法、内增湿法和自增湿法,排水方法包括静态排水法和动态排水法;介绍了各种增湿方法和排水方法的原理,并对其优缺点进行了评述。     

质子交换膜燃料电池建模综述

综述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)建模方法和模型类型。概述了PEMFC的机理模型和经验模型,详细介绍了电压模型、空气供应子系统模型、氢气供应子系统模型、水管理子系统模型和热管理子系统模型等,综述了国内外对PEMFC数学建模的研究现状,并对未来PEMFC数学模型的发展提出了展望。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

介绍了质子交换膜燃料电池的核心组成与工作原理，对燃料电池的膜材料和电催化剂、膜电极技术的发展现状以及对膜电极的制作工艺和结构优化进行了评述和分析，指出了目前质子交换膜燃料电池研究存在的问题及发展趋势。     

质子交换膜燃料电池控制策略综述

本文简单介绍了质子交换燃料电池的工作原理,分析了影响其工作性能的重要因素,对目前质子交换膜燃料电池控制方法的国内外研究现状进行综述,并结合当前研究现状,对质子交换膜燃料电池系统控制今后的发展方向进行了展望。     

质子交换膜燃料电池电动自行车

报道了大连新源动力股份有限公司研制的质子交换膜燃料电池电动自行车的各项技术指标,以及电动自行车用常压空气质子交换膜燃料电池的膜电极组件和电池堆的性能。指出常压操作质子交换膜燃料电池应采用薄的电解质膜(如Nafion 112)以减小欧姆极化和促进膜内水平衡;在无增湿条件下,电池操作温度不应高于50 ℃,以防止膜内水蒸发引起燃料电池无法稳定工作;金属双极板和石墨双极板各有利弊,选用取决于电池堆产量和电极工作面积,金属板在批量生产条件下成本较低,在工作面积较大时散热比石墨双极板好。     

千瓦级质子交换膜燃料电池

成功地组装了３５对千瓦级质子交换膜型燃料电池。电池采用表面改性的金属双极板;氢气采用内增湿,冷却水排热;采用美国杜邦公司的Ｎａｆｉｏｎ１１７质子交换膜,热压法制备膜电极三合一电极;采用碳载铂为电催化剂,铂担量为０．４ｍｇ／ｃｍ２;电池组工作温度为室温～１００℃,Ｈ２工作压力／Ｏ２工作压力为０．２５ＭＰａ～０．４５ＭＰａ／０．３０ＭＰａ～０．５０ＭＰａ;电池组输出功率为１ｋＷ～１．５ｋＷ,电池组输出电流为４０Ａ～６９Ａ,输出电压为２７Ｖ～２３Ｖ,电极工作电流密度为３００ｍＡ／ｃｍ２～５３０ｍＡ／ｃｍ２,电池组能量转化效率为５２％。