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?m(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。     

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。     

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.     

燃料电池自增湿膜电极的研究进展

使用自增湿膜电极可以减去燃料电池复杂的增湿系统,并使得膜电极的水热管理变得容易和简单,对于燃料电池的大规模商业化具有重要意义。本文主要从自增湿复合膜、自增湿催化层以及自增气体扩散层等几个方面介绍了近年来自增湿膜电极的一些重要研究进展和发展趋势。首先介绍了基于掺杂和复合机构的自增湿复合膜的发展状况,指出自增湿复合膜是最直接有效的自增湿方式;其次介绍了基于物理或化学方法构筑的自增湿催化层的研究现状,认为构筑自增湿催化层能够促进阴极侧电化学反应生成的水向阳极侧的反扩散,从而提高膜电极的低湿度性能;最后综述了自增湿气体扩散层,对这类电极的发展趋势及应用前景进行了展望。     

阴、阳极加湿程度对PEMFC内部传质的影响

为了研究常规流场下阴、阳极增湿程度对电池内部水分布、传递、膜性能及水拖曳系数等的影响,对PEMFC进行二维建模,应用控制容积法对控制方程进行离散,然后求解,得到了电池内部水和反应气浓度、速度分布、膜中电流密度、电势分布及膜中水分布,考察了气体不同增湿程度对质子交换膜电导率及电池内部传质的影响.结果表明,PEMFC中水综合拖曳系数随着阳极加湿程度的增加而增大,随阴极增湿程度的增加而减小,但阳极增湿对水综合拖曳系数的影响比同增湿程度下阴极增湿对水综合拖曳系数的影响大得多.同时,随着阳极加湿程度的升高,质子交换膜（PEM）电导率急剧升高,而阴极加湿程度对PEM电导率的影响只是停留在较小的电流范围之内.故PEMFC在小电流密度工作时,应该使阳极气体充分增湿;而在大电流密度工作时,应该适当降低阳极的增湿程度以降低阴极两相流的机会,从而改善阴极的传质状况.     

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。     

质子交换膜燃料电池冷启动的数值模拟

冷启动是质子交换膜燃料电池（PEMFC）商业化所面临的挑战之一，在PEMFC冷启动实验中，通过中子成像技术已经观测到电池内部存在过冷水，因此本文模型重点考虑过冷水对电池冷启动性能的影响。通过引入结冰概率函数对过冷水结冰过程的随机性进行描述，从而建立了PEMFC冷启动的三维、瞬态和多相流动数学模型。基于该模型，研究电池阴极催化层中离子聚合物的体积分数和质子交换膜的厚度对电池冷启动性能的影响。研究结果表明，增加阴极催化层中离子聚合物的体积分数，可有效促进阴极催化层中的反应生成水向质子交换膜中进行扩散，从而充分利用膜内的储水空间；减少质子交换膜的厚度，能促进质子交换膜中的离聚物水向阳极催化层扩散，在大电流密度工况下可有效缓解阳极的“膜干”现象。     

质子交换膜燃料电池两维、两相流动模型

提出了考虑电池内部两相流动的质子交换膜燃料电池数学模型,模拟了阳极、阴极两侧的流道和扩散层中同时发生两相流动时电池内部的各种传递特性,并用实验数据验证了该模型的准确性。模拟结果显示,当电池阴极扩散层中有液态水存在时会大大降低膜中的局部电流密度;质子交换膜中水的净通量方向可正、可负,因此电池的增湿策略应根据不同的运行工况而不断变化。     

常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池传热传质三维模拟

针对常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池提出了三维非等温数学模型。模型详细考虑了电池内部的传热、传质和电化学反应，重点考察了多孔介质内的组分传递和膜内水的电渗和扩散作用，对氧气传递限制和膜内水迁移对电池性能的影响进行了分析和讨论。结果表明，流道的交指型设计加强了气体在多孔介质内的质量传递，提高了电池的输出性能，但相应地，阴极催化层界面水分的减少也使得膜的水合程度降低，这就需要更有效的水管理来防止膜脱水。     

空气自呼吸质子交换膜燃料电池最新研究进展

空气自呼吸质子交换膜燃料电池具有系统体积小、能量密度高、能量转化效率高和清洁无污染、无需复杂的空气供给及增湿系统等优点,是极具商业前景的新一代中小功率便携式电源,其相关研究为燃料电池领域的热点研究课题。本文综述了近年来此类电池在结构、机理、组成元件、性能等方面的研究进展,认为改善阴极催化层孔隙率和疏水性等能显著加快氧气传输和水移除,提高氧气活化能力;气体扩散层的组成、结构和厚度亦影响其气体透过性和水移除效果;合适的结构设计和材料选取能调节池体温度,强化空气对流;膜电极免增湿技术的应用可以维持电池在低湿度下较高质子传导率和系统稳定性,这是空气自呼吸质子交换膜燃料电池实现商业化的重要研究方向。     

质子交换膜燃料电池膜电极结构与设计研究进展

膜电极（MEA）为质子交换膜燃料电池（PEMFC）提供了电子、质子、反应气体和产物水等多相物质传递和电化学反应的重要场所。设计和制备具有优异特性的MEA对提高PEMFC的性能,降低制造成本,加快其商业化应用是至关重要的。本文首先对PEMFC的反应机理进行了分析,接着从气体扩散层（GDL）、催化层（CL）、质子交换膜构造（PEM）3个方面阐述各部件在MEA中的作用,归纳总结了各部件的制备方法、传热传质方式、仿真模型、构效关系以及优缺点,最后对影响MEA的各种因素进行了总结,并且结合目前涌现出的许多新兴技术对PEMFC的发展进行了展望。本综述对未来高性能、长寿命和低成本的MEA开发具有指导意义。     

Three-dimensional multiphase modeling of cold start processes in polymer electrolyte membrane fuel cells

Startup from subzero temperatures, referred to as “cold start”, has been one of the technical challenges hindering the commercialization of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). In this study, a mathematical model has been developed to simulate the cold start processes in a PEMFC. The present three-dimensional multiphase model uniquely includes the water freezing in the membrane electrolyte, the non-equilibrium mass transfer between the water in the ionomer and the water (vapour, liquid and ice) in the pore region of the catalyst layer (CL), and the water freezing and melting in the CL and gas diffusion layer (GDL). Both the failed and successful cold start processes have been numerically investigated. Numerical results indicate that increasing the ionomer fraction in the cathode CL has more significant effects than increasing the thickness of the membrane layer in reducing the amount of ice formation, and the ohmic heat is the largest heating source at low cell voltages. It is observed that water freezes first in the cathode CL under the land, and ice melts first in the CLs under the flow channel, the melted water in the anode is also removed faster than in the cathode.     

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。     

Analysis of GDL flooding effects on PEMFC performance

One of the major concerns of the gas diffusion layer (GDL) inside a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is water management. Treatment of the pores of the GDL can affect the PEMFC performance due to the degree of water flooding inside the GDL. In this work, GDL flooding was investigated using a simplified approach in an established numerical model. The predictions are compared with experimental data of GDLs with different treatments. Local distributions inside the cell are given and the effect of homogenous GDL flooding on these is discussed.     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

质子交换膜燃料电池二维全电池两相流综合数值模型

针对直通道质子交换膜燃料电池（PEMFC）建立了一个二维全电池综合数值模型,模型综合考虑参与电化学反应的三个要素反应物质、电子和质子的传输过程以及液态水的淹没和膜内水传输现象。研究了供气压力、液态水淹没对电池性能的影响;比较了不同输出电压、供气湿度等条件对阴极液态水饱和度分布以及电解质膜含水率的影响;预测了基准供气状态下电池的极化曲线和文献报道的实验结果吻合很好。计算结果显示：输出电压越小液态水淹没电极现象越严重;阴极液态水的生成有利于膜的浸润保持较高电导率,但是会淹没电极使有效电极面积减小,导致电池性能下降。     

A three-dimensional numerical simulation of the transport phenomena in the cathodic side of a PEMFC

A three-dimensional numerical model is developed to simulate the transport phenomena on the cathodic side of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) that is in contact with parallel and interdigitated gas distributors. The computational domain consists of a flow channel together with a gas diffusion layer on the cathode of a PEMFC. The effective diffusivities according to the Bruggman correlation and Darcy's law for porous media are used for the gas diffusion layer. In addition, the Tafel equation is used to describe the oxygen reduction reaction (ORR) on the catalyst layer surface. Three-dimensional transport equations for the channel flow and the gas diffusion layer are solved numerically using a finite-volume-based numerical technique. The nature of the multi-dimensional transport in the cathode side of a PEMFC is illustrated by the fluid flow, mass fraction and current density distribution. The interdigitated gas distributor gives a higher average current density on the catalyst layer surface than that with the parallel gas distributor under the same mass flow rate and cathode overpotential. Moreover, the limiting current density increased by 40% by using the interdigitated flow field design instead of the parallel one.     

An evaluation of the macro-homogeneous and agglomerate model for oxygen reduction in PEMFCs

The kinetics of oxygen reduction reaction on platinum/carbon powders in a Nafion film were evaluated with rotating disk electrode and gas diffusion electrode. The effects of the activation, mass transport and ohmic overpotentials were simulated via an “effectiveness factor” approach. The macro-homogeneous model was suitable to simulate the ORR kinetics at the RDE. On the other hand, it was found that the macro-homogeneous model does not simulate the operation of a porous gas diffusion cathode in PEMFC. With this model, the diffusion overpotential in the cathode is considerably overestimated. Conversely, the good agreement between calculated and experimental Tafel plots demonstrates the validity of the agglomerate model, even though the active layers of the PEMFC electrodes were thin and contained no PTFE. These results provided evidence for a two step transport process in the active layer of PEMFC electrodes.     

常规流场下各向异性扩散层对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响

为了研究扩散层各向异性对电池性能的影响,以XD=Di,j ^y/Di,j ^x 为各向异性的表征,建立了使用常规流场的质子交换膜燃料电池二维传质模型.考虑了阴阳极内物质的对流和扩散、水和质子在膜内传递以及催化层的电化学反应.利用有限差分法对控制方程进行离散,采用逐次超松驰法求解得到了阴阳极反应气体和水的浓度分布以及催化层电流密度、膜中水含量、膜中电势和电流密度的分布.分析结果表明：在1≤XD≤4时增大XD有利于提高电池性能,但随着XD增大其对电池性能的影响逐渐减小;并且XD对电池性能的影响主要体现在对阴极和膜性能的影响上,其对阳极性能的影响甚微.