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。     

操作条件对质子交换膜燃料电池电化学阻抗动态行为的影响

应用交流阻抗谱法（electrochemical impedance spectroscopy,EIS）研究温度、湿度和阴、阳极过量系数4种操作条件对质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）电化学阻抗的影响,并应用复合阻容并联等效电路对实验结果进行等效拟合。实验结果表明,PEMFC单电池的电流密度为1400 mA/cm²时,阴极过量系数对PEMFC单电池高频阻抗的影响最大,温度和湿度次之,阳极过量系数影响最小;不同操作条件的改变对高频阻抗谱中的欧姆阻抗的影响非常小,主要通过影响阴阳极法拉第阻抗来影响PEMFC单电池的输出性能;等效结果和实验结果在不同频率段的阻抗表现出一致的变化规律,各阻抗的误差值能够控制在2mΩ以内,可以有效地等效替代实验结果。     

质子交换膜燃料电池冷启动研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、启动停机快、能量密度高等优点、在移动电源、车辆等设备方面具有很好的应用前景。但是,目前仍存在很多亟待解决的问题,如制造成本、电池寿命、冷启动能力等,制约着PEMFC的商业化进程。其中,燃料电池的冷启动能力是其实际应用中必须面临的重要课题,因此本文从多个方面对PEMFC冷启动的研究进展进行概述,包括PEMFC的冰冻机理、冷启动过程中水热传输特性及可视化研究。分析表明,电池的具体结冰位置还没有统一的定论;冷启动过程中冰的形成确实破坏了膜电极组件,缩短了电池寿命;可视化的研究方法在水管理方面得到了广泛应用,为改善电池内部的水分布提供了更直观的依据;基于电极材料和电池结构的水热管理或许是未来的研究热点。     

PEMFC冷却剂循环条件下冷启动数值模拟

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量比、环境友好、工作温度低等优点，可用作未来新能源汽车的能量来源，具有很好的发展前景。然而零下温度启动时，电池内水结冰堵塞通道，严重影响电池启动性能及寿命。提出了PEMFC冷启动三维多物理场数值模型，考虑了冷却剂流动与传热的影响，对冷启动过程组分浓度、电势、温度、含冰量等参数进行了可视化分析。数值模拟结果与试验吻合良好，表明模型可用于预测电池冷启动性能并用于机理研究。     

再生条件对载铜活性炭脱硫剂脱硫性能的影响

本文所研究的栽铜活性炭脱硫剂是用浸渍法制成的,所用原料为新疆油田公司的天然气,主要是研究再生条件对载铜活性炭脱硫剂脱硫性能的影响。实验的再生条件是蒸汽流量50ml／min,吹扫温度2000C,吹扫时间4h。实验证明再生活性炭脱硫荆的再生能力很强,可以多次进行,并且在吸附天然气中硫化氢的硫元素进行脱硫处理时表现出很好的稳定性。     

吹扫捕集-气质联用测定水中苯系物

以吹扫捕集方式,通过GC/MS测定水中苯系物。考察了吹扫时间、吹扫流量、解析时间、解析温度对回收率的影响,确定了测定水中苯系物最佳实验条件。方法平均回收率96%～102%,检出限为0.03～0.39μg/L,本方法可用于水中痕量苯系物测定。     

阳极封闭式质子交换膜燃料电池的研究进展

从数值模拟和实验两个方面简要介绍了国内外阳极封闭式质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究现状,提出了阳极封闭式PEMFC存在的主要问题,由于水的反扩散和氮气的渗透以及反应物消耗造成了阳极出口处的氢气浓度低、阴极电势高,加快了催化层和质子交换膜的碳腐蚀,导致电池性能下降。针对存在的问题,提出了解决方案,如阳极吹扫、震荡压力、级联设计等,可进一步提高燃料电池性能。     

质子交换膜燃料电池电源系统停机特性及控制策略

质子交换膜燃料电池(PEMFC)电源系统在停机后,燃料电池开路高电压被认为是造成电池性能下降和寿命缩短的重要因素。这主要是因为PEMFC电源系统停机后,燃料电池处于开路状态,阳极侧残留的氢气和阴极侧的空气发生电化学反应,电池电压为开路高电压且维持在开路电压的时间比较长,这容易引起催化剂碳载体发生氧化,使分布在载体上的铂(Pt)颗粒脱落,造成燃料电池性能衰减以及寿命缩短。以最大程度缩短停机后开路高电压的时间和加快阳极侧残留氢气的消耗速度为目标,提出了一种PEMFC电源系统的停机策略,通过实验分别研究了直接停机和停机策略停机对PEMFC输出特性的影响。以该停机控制策略为基础,通过实验验证了该停机策略的有效性,为提出保护性的PEMFC电源系统停机控制策略提供了参考性指导。     

质子交换膜燃料电池停机策略的实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中引起性能衰减的根本原因是阳极侧残留有氢气。为了满足快速消除电堆内残留的氢气,研究提出了利用空冷电堆的风扇对电堆放电和使用辅助负载对电堆中各个单电池单独放电的停机控制策略。通过实验研究对比了直接停机、利用辅助负载整体放电和利用辅助负载对各个单电池单独放电三种停机方式对PEMFC性能的影响。结果表明,利用辅助负载对各个单电池单独放电的停机策略不仅能缩短燃料电池停机后各个单电池维持在高电位的时间,同时也能防止PEMFC停机放电过程中单电池反极现象的发生,是一种十分有效的质子交换膜燃料电池停机策略。     

基于空冷的疏水陶瓷膜冷凝器用于烟气脱湿过程强化的实验研究

以环境空气为冷源,采用硅烷接枝的疏水Al₂O₃陶瓷膜构建膜冷凝器开展烟气脱湿实验。对比了疏水陶瓷膜与传统疏水钢管的冷凝性能;系统考察了烟气流量、烟气温度、吹扫因子、吹扫气温度、跨膜压差等过程参数对疏水陶瓷膜水回收性能的影响;比较了疏水陶瓷膜冷凝器(空冷)与亲水陶瓷膜冷凝器(水冷)的冷凝性能。结果表明,相同水接触角下(120°),多孔陶瓷膜的烟气温降是致密304钢管的1.3~2.5倍,疏水陶瓷膜能有效强化冷凝传热。疏水陶瓷膜的过程水通量随烟气流量、烟气温度、吹扫因子的增加而上升,随跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低。过程水回收率随烟气流量、跨膜压差、吹扫气温度的增加而降低,随吹扫因子的增加而增加,随烟气温度的增加先上升,然后趋于稳定,而后下降。实验工况下,疏水陶瓷膜实现了0.6~5.2 kg·m^-2·h^-1的水通量和7.6%~57.4%的水回收率。低冷却介质流量下,基于水冷的亲水陶瓷膜的烟气冷凝性能更优异;随着冷却介质流量的上升,疏水陶瓷膜的冷凝性能迅速提升,并达到亲水陶瓷膜的性能。疏水陶瓷膜冷凝器在气体脱湿和水分回收领域有广阔的应用前景,将为改善工业过程的“能源-水资源-环境”关系助力。     

吹扫捕集-气相色谱法测定室内环境空气中甲醛

基于Agient 7890A GC气相色谱仪和4820Eclipse吹扫捕集仪建立了一种室内空气高效甲醛测定方法。设计实验讨论了甲醛溶液中甲醇含量、氮气吹扫流速和时间对测定结果的影响。研究结果显示,当甲醛溶液中甲醇含量为30μL,N₂吹扫时间为11min,流速为40m L·min^-1的条件下,具有最佳的样品提取效率。线性相关系数r=0.998,回归方程Y=3.493+0.825X,方法检出限0.02μg·L^-1,精密度相对标准偏差RSD 1.78%,加标回收率为100.5%。该方法检测结果与酚试剂法的相对误差在-4.04%～3.43%。方法操作简单、准确度和精密度较好,具有较好的推广应用价值。     

吹扫捕集/气相色谱-质谱法测定水中三氯乙醛方法探讨

三氯乙醛是有机合成原料,广泛应用于生产农药、医药工业等,对人体的皮肤和粘膜有强烈的刺激作用,长期接触会导致中枢神经系统功能紊乱。本文研究了用气相色谱-质谱法测定水中三氯乙醛的不同加碱量以及吹扫条件的优化,通过实验证明,在氢氧化钠加入量为300μg,吹扫时间为8 min时三氯乙醛全部转化并达到最佳吹扫效率。该方法测试简便,重现性好,灵敏度高,检出限低,能够满足饮用水源地水中三氯乙醛的分析需要。     

质子交换膜燃料电池膜电极性能特性研究

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种清洁高效的发电技术,其中膜电极是PEMFC的核心部件,膜电极的材料和制备工艺对电池性能的影响明显。为了对电池性能进行优化,针对Pt/C催化剂类型、膜电极热压温度、碳粉导电层疏水特性以及催化层中Nafion质量分数等因素进行了电流-电压实验测试,获得了电池性能的影响规律。实验结果表明:Pt/C催化剂类型、碳粉导电层疏水性以及催化层Nafion质量分数对电池性能有显著影响,当碳粉导电层聚四氟乙烯质量分数为24%,催化层中Nafion质量分数为30%时,电池性能达到最优值。膜电极热压温度对电池性能影响较小,但对导电碳粉层与催化层的粘结力影响显著,过低的温度会导致膜电极出现分层。     

吹扫-捕集气相色谱检测地表水有机化合物的方法

随着水污染事件频发,地表水中的有机化合物含量激增,现行的检测方法无法满足多种化合物的检测需求。因此,提出基于吹扫-捕集气相色谱的地表水中有机化合物的检测方法。通过多轮有机化合物检测,确定此方法的应用条件,并得到良好的应用效果。试验结果得出最佳检测条件为：吹扫速度25 mL/min;吹扫时间10 min,如有机物沸点较高可放宽至14 min;解析温度200℃;解析时间2.5 min,如有机物沸点较高可放宽至4 min。此方法检出限、准确度与精密度均较高,且操作简单,经济性强。     

四通道中空纤维MFI分子筛膜用于二甲苯异构体分离

采用二次生长法在高机械强度、高装填密度的四通道α-Al₂O₃中空纤维载体(7 cm)上制备MFI分子筛膜，探究了膜合成时间、操作温度、原料分压和吹扫气流量等条件对二甲苯异构体膜分离性能的影响。结果表明，160℃水热合成12 h制得的四通道中空纤维MFI分子筛膜对二甲苯异构体分离性能较优，在150℃、原料分压2 kPa、吹扫气流量20 ml/min时对二甲苯/邻二甲苯分离因子高达878,PX渗透性为2.1×10^-8 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1。基于优化的制膜及分离操作条件，进一步将MFI分子筛膜制备于27 cm长的四通道中空纤维载体上，也获得了优异的对二甲苯/邻二甲苯膜分离性能，且所制得的膜材料对该体系的分离可稳定运行100 h以上。为推进中空纤维MFI分子筛膜的批量化制备和传统分离工艺的技术革新奠定了基础。     

吹扫捕集/气相色谱-质谱法测定土壤中苯系物的研究

基于吹扫捕集/气相色谱-质谱法进行污染土壤样本中苯、甲苯、乙苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯与异丙苯等苯系物含量的测定,针对吹扫时间、解吸温度、解吸时间三项预处理环节的重要参数进行分析测定,最终确定以吹扫时间11min、解吸温度190℃、解吸时间30s作为最佳实验参数,完成土壤中苯系物的测定。测试结果显示,采用该方法测得的土壤样本中加标回收率为99.1%～104.0%,相对标准偏差控制在17.5%以内,将该方法与顶空气相色谱法进行比较分析,造成二者数值差异的根本原因在于苯系物依附的介质与实验条件等。     

锂离子电池用聚氧化乙烯电解质膜的阻抗性能研究

为研究聚氧化乙烯(PEO)电解质膜的最佳配方,探究双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)在不同含量下对PEO阻抗性能的影响。结果表明:n(EO)∶n(Li⁺)为12∶1,PEO电解质膜在阻塞电池、锂对称电池以及全电池中均具有最低的阻抗值,说明其具有较高的离子电导率和较好的界面接触。经过全电池循环测试,证实最佳样品具有良好的循环性能和实际应用潜力。     

交流阻抗技术在质子交换膜燃料电池上的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低温、高效、零排放等特点,是有效解决环境污染和能源危机的发电装置,然而其内在电化学、传输机理不明确限制了其发展。交流阻抗技术(EIS)作为研究电极过程动力学和表面现象的重要手段,应用在PEMFC上受到高度重视。本文概括介绍了EIS的应用原理以及对于PEMFC的测量方式,并重点结合电池电极中典型的阻抗谱解析,总结了近来EIS在电池和材料两个方面的研究进展,从原位极化分析、材料性能评估及反应机理剖析等几个方面予以深入,详细分析了各阻抗元件参数对电池和材料改进的指导作用,进而展望了EIS在燃料电池上的应用前景,指出除了采用等效电路加以分析以外,结合数学模型推导将更加完美呈现出阻抗谱数据的特点。     

质子交换膜燃料电池系统低温启动技术研究进展

质子交换膜燃料电池电动汽车具有绿色环保、续航里程长等优点,但在温度较低的环境下存在启动困难甚至失败的问题,这一问题严重制约了质子交换膜燃料电池电动汽车的发展。研究调查了质子交换膜内部结冰的原理,简述了0℃以下低温环境下启动过程对质子交换膜本身、催化层、气体扩散层以及膜电极整体带来不同程度的损伤,重点分析了质子交换膜燃料电池电动汽车低温启动的策略,可大致分为三类：停机吹扫的控制策略、外部辅助加热和无辅助加热。分析表明每种方法都有其各自的优点与缺点,但总的来说单一的启动方法对质子交换膜燃料电池电动汽车低温启动的效果不如多种方法混合使用的效果理想,未来燃料电池电动汽车的低温启动技术将会朝着多种方法共同协助的趋势发展。     

一种新型流道对燃料电池气体扩散层除水性能的模拟研究

燃料电池冷启动前,需要通过气体吹扫去除内部多余水分,停车后的吹扫对于燃料电池在低温下能否成功启动有着至关重要的影响。为了更有效地去除电池内部水分,提出一种有利于去除气体扩散层内部水分的新型波形流道,通过多物理场仿真软件(COMSOL Multiphysics)研究不同角度的波形流道对气体扩散层水分去除的影响以及水分去除的机理。计算结果表明:与传统的直形流道相比,这种新型波形流道能够增大气体扩散层上方的气体流速,有利于去除气体扩散层内部的水分,揭示了吹扫对气体扩散层水分去除的3个特征阶段:高饱和度区、恒速区以及快速下降区。