无外增湿操作质子交换膜燃料电池

采用Nafion112膜组装 5cm2 活性面积质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,在无外增湿反应气体条件下试验了氢气和氧气并流和逆流时电池的工作性能。实验结果发现 :气体并流时 ,电池的最佳工作温度是 6 0℃ ;气体逆流时 ,电池可以在 80℃稳定工作 ,且性能与外增湿条件下的电池性能相比无明显下降。将PEMFC的活性面积放大到 14 0cm2 ,电池仍可以在气体逆流、80℃和无外增湿条件下稳定工作。     

PEMFC阴极面带增湿槽道的模拟分析

对阴极面为带增湿槽道流场的单电池使用FLUENT软件建立了一个完整的三维数学模型。通过耦合气体控制方程、电化学反应Butler-Volmer方程、膜中水传递方程和水的相变方程,以及分析膜的水含量、阴极催化层水浓度、氧气浓度和膜中电流密度分布;结果表明,最后得到增湿槽道在实现阴极增湿的同时损失了其对应的活性面积。     

温度、流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的影响

PEMFC的阳极流场和阴极流场均为单蛇形流场,活性面积为25 cm2。氢气和空气的操作压力为常压,工作温度为40~70℃,氢气流量为300 ml/min,空气流量范围为500~1 500 ml/min。通过单电池的实验,得到电压、电流和电阻数据,并分析了温度、湿度和空气流量对单电池性能的影响。在饱和增湿条件下,升高工作温度会降低膜的内阻并提高电池性能,在不饱和增湿条件下,温度升高会使内阻上升,增加欧姆极化。电池性能随着空气流量增大而上升,空气剂量比系数要大于3;阴极或者阳极增湿条件改善,可以提高电池的性能,阳极增湿条件比阴极增湿条件更重要。     

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.     

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.     

掺杂SiO_2对PEMFC低湿度性能的影响

采用磺化SiO2/Nafion自增湿膜作为质子交换膜,采用掺杂了纳米SiO2或经过磺化处理的SiO2的催化层作为阴极催化层,考察了饱和增湿条件下由自制质子交换膜和阴极催化层组成样品的接触角和质子电导率。在饱和增湿进气条件下考察了其对电池性能,电化学特性的影响,同时降低进气湿度,考察电池性能变化。结果表明,掺杂SiO2提高了催化层的亲水性;掺入纳米SiO2降低了阴极催化层的质子电导率,而掺入磺化SiO2提高了其质子电导率。在饱和增湿进气时,采用磺化SiO2/Nafion自增湿膜大幅地降低了电池的欧姆电阻。采用自增湿膜同时阴极催化层内掺入纳米SiO2降低了电池性能,而掺杂磺化SiO2电池性能有所提高。在干气进气条件下,不论是单独采用磺化SiO2/Nafion复合膜还是在阴极催化层加入纳米SiO2或者磺化处理过的SiO2,电池性能均有所提高。     

无增湿燃料电池冷却水道设计及数值模拟

针对一种基于自回水双极板的无增湿质子交换膜燃料电池,设计了阴极集流板的冷却水流道,使阴极集流板具有为反应气体增湿、回收反应生成的水和冷却燃料电池三方面的功能。利用CFD技术对一个由21个单电池组成的无增湿燃料电池堆冷却水道内部冷却水流动情况进行了数值模拟,分析了电堆水道内部压力和速度的分布情况。最后对电堆冷却水流道进出口压差进行了测试,测试结果与计算结果能较好吻合。     

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。     

千瓦级PEMFC电堆的研制

使用表面改性的金属铝板做双极板,成功组装了含30个质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电堆。H2、空气反应气均采用外增湿,使用循环冷却水排出电堆产生的热量。分别使用Nafion115膜和John-MatthyPt/C作为电解质和催化剂,其中Pt载量为0.4mg/cm2。电堆工作温度为室温至100℃,H2与空气工作压力比为0.20MPa/0.22MPa,电堆输出功率为1~1.3kW,输出电流为40~80A,输出电压为26~20V,电极工作电流密度为200~375mA/cm2,电堆能量转化效率为51%。     

大功率电力电子设备用微槽道系统实验研究

为同时满足大功率电力电子设备高热流密度散热及被冷却表面低温的要求,设计搭建了闭式真空微槽道制冷系统,对去离子水在负压下进行了实验研究。微槽道散热器包含17条尺寸为0.6mm(W)×2mm(D)×20mm(L)的微槽道,材料为无氧铜。实验工况为进口压力Pin=38.9~166.8kPa,流量V=3.2~20L/h,质量流速G=42~262kg/m2s,热流密度q″=6.6~220W/cm2。实验结果表明IGBT壳温随压力的减小而减小,平均换热系数随压力的减小而增大,验证了负压两相系统的优势,在发热面温度低于80℃的情况下实现了热流密度100W/cm2。