薄型流场对燃料电池性能影响的交流阻抗谱法研究

利用交流阻抗测试法对采用薄型流场板的氢气/空气质子交换膜燃料电池单电池进行了表征。实验结果表明,阴极侧流场深度的减小对燃料电池性能的影响几乎可以忽略,而阳极侧流场深度对燃料电池性能的影响则相对较大。对具备不同形式与深度的阳极流场的单电池进行交流阻抗测试和分析,并辅以极化曲线测试,发现阳极侧流场深度从1.0mm的单路蛇形流场降低至0.4mm后,燃料电池在大电流密度下的性能受到影响;当电流密度大于1200mA/cm2时,电池的浓差极化进一步加剧,导致电池的最大输出功率略有下降。尽管如此,由于极板总体厚度的减小,电池的体积比功率密度仍得到很大程度的提高。     

质子交换膜燃料电池双极板研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的连续发电装置,具有能量转换效率高、噪音低、结构简单、发电效率受负载变化影响小等优点,被公认为是21世纪最有发展前景的洁净、高效的发电技术。双极板是PEMFC的关键部件之一,其质量的好坏直接决定电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短,其成本占电池堆总成本的40%左右,高成本正是PEMFC的商业化的一大障碍。本文研究了质子交换膜燃料电池双极板流道设计对气体分布均匀性及流道阻力的影响,本文的研究具有重要意义,为提高燃料电池性能提供了参考。     

锁紧螺栓数目及位置对PEMFC双极板变形影响

质子交换膜燃料电池的组装设计及方法对电池性能的优劣,有着非常重要的影响。燃料电池在组装时,由于受到螺栓锁紧时外力的作用,各组件之间容易产生变形。针对锁紧螺栓个数及位置,采用有限元ANSYS/WORKBENCH分析软件建立单质子交换膜燃料电池模型,对螺栓锁紧所造成的双极板内部位移变化情况进行数值模拟,获得双极板沿给定路径的位移变形分布和翘曲度情况,对比分析了锁紧螺栓数目及位置对双极板翘曲变形的影响,得出了最佳锁紧螺栓个数及位置,并提出了一种能提高质子交换膜燃料电池性能的封装方案。     

国产质子交换膜燃料电池关键材料及部件的电池组性能

基于质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)技术的实际应用要求,针对其国产关键材料和部件(包括电催化剂、质子交换膜、炭纸、双极板)进行性能表征、电池组制造工艺开发和电池组应用性能研究,结果表明:国产炭纸、复合质子交换膜、复合催化剂以及薄型不锈钢双极板无论是在基本性能还是在电池组应用方面都达到了国外同类产品的水平,能够满足车用燃料电池发动机的要求。目前,复合质子交换膜产品已实现批量生产,炭纸和复合催化剂已具备批量制造能力,薄型不锈钢双极板的批量制造工艺和设备已进入开发阶段,采用这些国产材料和部件组装的PEMFC车用发动机正在进行实际应用考核。初步预计:通过这些国产关键材料和部件的应用,可以将PEMFC的材料成本降低50%以上,同时还可以大幅度提高电池性能,为推进我国燃料电池产品的实际应用奠定基础。     

全钒液流电池双极板流道的建模及其优化

在传统流道的基础上,对全钒液流电池的双极板流道进行了两次优化。通过采用数值模拟方法对双极板流场进行分析研究,并根据分析结果,将优化的流道结构与传统的流道结构进行比较。结果表明,优化流道后的的性能高于常用的两种传统流道。     

电子探针在Fe-Ni-Cr基合金双极板表面结构研究中的应用

质子膜燃料电池是极具发展潜力的绿色能源,金属双极板取代石墨双极板是燃料电池发展的趋势.但金属双极板耐腐蚀性差,接触电阻高,需要对金属表面进行改性处理.本文采用新型Fe-Ni-Cr合金,对合金双极板进行表面化学改性处理.利用电子探针(EPMA)对改性后的金属双极板表面形貌及成分进行分析,结合不同工艺条件下材料耐腐蚀性能,认为金属表面经改性处理后形成致密氧化膜能提高双极板耐腐蚀性能,电子探针探测金属表面多个微区的氧含量,以及氧含量分布的均匀性,能够合理解释不同工艺条件所引起的耐腐蚀性能的差异.     

质子交换膜燃料电池的三维流场技术研究进展

流场板是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,其流场结构直接影响着反应气体的传输分配以及燃料电池的排水与散热性能.常规流场往往存在水分布不均和局部热点的现象,容易导致燃料电池输出性能退化,甚至造成系统崩溃.三维流场具有优异的传质传热特性,能有效提高质子交换膜燃料电池性能,已成为当前研究热点.根据流场结构形式的不同,三维流场可分为复杂三维流场、销形三维流场、泡沫三维流场、集成三维流场、波浪三维流场和仿生三维流场等.通过介绍质子交换膜燃料电池的三维流场工作原理,重点分析了不同三维流场结构在水热管理方面的优势,并进一步讨论了增强水热管理的技术措施;总结概述了三维流场结构的常用加工制造技术,详细分析了加工制造技术的优缺点;最后归纳分析了三维流场在实际应用中面临的挑战及未来的发展趋势.     

应用硅和非硅MEMS技术的微型直接甲醇燃料电池

分别以硅和不锈钢材料为极板研制了两种结构简单、体积小、比能量密度高的微型直接甲醇燃料电池,并介绍了该电池的工作原理和结构。利用光刻、溅射和腐蚀等MEMS技术完成了硅基微型直接甲醇燃料电池的制作,实验测试表明,在室温条件下,使用1.5 mol/L甲醇溶液供液时其开路输出电压为520 mV,最大输出功率密度达到5.9 mW/cm²;利用非硅微加工技术完成的不锈钢微型直接甲醇燃料电池,在室温下用2 mol/L甲醇溶液供液时开路输出电压为650 mV,最大输出功率密度达到15.8 mW/cm²。     

质子交换膜燃料电池绑带式装配建模分析

绑带装配的质子交换膜燃料电池(PEMFC)较传统的螺杆式装配具有结构紧凑、功率密度高的特点。电池中膜电极(MEA)与极板接触压力对电池的性能至关重要。本文运用ABAQUS软件建立绑带型PEMFC的3维有限元模型,研究了绑带数量、厚度、分布以及端板圆角半径对MEA接触压力的影响规律。研究表明,对于车用440mm×135mm规格的金属极板电池,4根和5根绑带的MEA接触压力均匀性较好;端板圆角半径增大,MEA接触压力均匀性略有降低;绑带位置分布越不均匀,MEA接触压力均匀性越差。     

高压质子交换膜燃料电池正交试验研究

燃料电池做为汽车动力源时,应能够在多变环境和不同工况下保持高效、稳定的工作状态.燃料电池在不同工况下,其运行参数对燃料电池本身性能的影响是不同的.为给燃料电池提供合适的工作条件,确保燃料电池在高效区运行.通过对高压质子交换膜燃料电池的正交试验研究,分析流量、压力和温度等运行参数对高压燃料电池性能的影响,得到如下结论:空气流量对燃料电池性能的影响较小,随着电流的增加,影响有所增加;空气压力的影响略大,并且在小电流时,这种影响比较显著;氢气压力(压力差)的影响始终很小,几乎可以认为没有影响;燃料电池工作温度对燃料电池性能的影响仍然十分大,并且随着温度的升高,其影响越来越大;随着电流的加大,燃料电池温度的影响也逐渐增大,在高电流状态下,几乎是唯一重要的影响因素.     

集成在微型直接甲醇燃料电池中加热器的设计

根据各种传热机理建立了微型直接甲醇燃料电池的热传导模型,借助有限元分析工具,设计模拟了集成在微型直接甲醇燃料电池中3种不同结构的加热器。仿真结果表明,不同的加热器结构在极板表面将引起不同的温度分布,这将对燃料电池产生不同的加热效果,从而对电池的性能造成影响。其中一种比较理想的加热结构仅引起1.4 ℃的温度偏差,显示了良好的温度均匀性,故在实验中被用来控制工作温度。而另外两种加热结构引起的温度偏差分别是2.1 ℃和3.0 ℃。实验结果表明,当电流53.9 mA时,微型直接甲醇燃料电池工作温度为58.2 ℃,产生的最大功率密度为5.55 mW/cm²。集成后的微型加热器可以通过调整微型直接甲醇燃料电池的工作温度提高其性能,并能在极端环境下工作。     

无极板式质子交换膜燃料电池结构设计与制造工艺研究

正质子交换膜燃料电池(PEMFC)不经过燃烧而直接将氢气中的化学能转变为电能,具有清洁、高效和能源可再生性等优点,是理想的能源转换装置,在交通工具、电子产品和国防产品等方面具有广泛的应用前景,已经成为国内外学术界和工业界的研究热点。目前的研究主要集中在传统的板框式电池结构上,在各关键组件开发、电堆装配、系统控制等方面取得了长足的发展。然而,板框式结构的石墨极板制造成本较高,同时膜电极组件(MEA)的利用率较低、极板厚度较大,导致电池的功率     

燃料电池仿生密封结构的设计与仿真

针对目前质子交换膜燃料电池密封不严导致的电化学性能低和泄漏等问题,从仿生学角度出发,以自然界的鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,对燃料电池的密封双极板结构进行仿生结构设计,提出4种仿生密封双极板结构,并建立密封双极板的接触力学模型,最后在有限元分析软件ABAQUS和ANSYS Fluent中开展仿生密封双极板与常规密封双极板的仿真对比试验。结果表明：仿生密封双极板接触面上的应力更大,两接触面的结合更加紧密;仿生密封双极板一凸一凹的镶嵌结合方式,减小了泄漏通道的有效高度,增大了泄漏阻力,可有效防止泄漏的发生;仿生密封双极板具有流固耦合密封效应,在双极板之间存在多个阻断面和空腔,可对流体造成明显的压差损失,能有效避免流体的泄漏。     

MH/Ni动力电池极板轧机研究与设计

MH/Ni动力电池寿命倍受到人们的关注.在电池的制造过程中,影响其性能的最主要环节就是极板的制造.而极板的轧制过程是强力、低速、大负荷的连续性过程,因此,在轧制机构的设计中强度校核尤为重要.通过运用PRO/E对MH/Ni动力电池极板轧机进行了三维造型设计,并在三维装配体的基础上进行运动仿真和有限元强度分析研究.     

微型直接甲醇燃料电池若干关键技术进展

在介绍微型直接甲醇燃料电池（μDMFC）工作原理的基础上,探讨了其流场板结构、流场板工艺和材料、物料管理和封装技术等关键问题。分析比较了不同结构的流场板对μDMFC性能的影响,介绍了微流场板加工的难点和流场板材料的特殊性,讨论了μDMFC物料管理方式及其进展,综述了μDMFC封装的难点和研究现状。     

基于Fluent对PEM燃料电池的平行流场仿真分析

利用SOLIDWORKS软件建立带有三种不同流道面积的平行流场PEM(质子交换膜)燃料电池模型,并在专业划分网格软件ICEM CFD中建立这三种PEM燃料电池网格模型。为了得出这三种不同流道面积对燃料电池性能的影响,最后将网格模型导进Fluent进行仿真计算,通过极化曲线和电流密度分布云图分析得出流道面积为187的平行流场在保证了较高功率密度的同时,电流密度的分布也最均匀。     

基于CFD的DMFC阳极三维模型的建立

提出基于计算流体力学方法的直接甲醇燃料电池阳极的三维模型,并模拟了液体燃料供给的平行沟道流场结构直接甲醇燃料电池的性能.该模型考虑直接甲醇燃料电池阳极燃料的质量传输,特别是多孔介质对于燃料输运的影响,根据燃料质量传输性质,求出直接甲醇燃料电池的输出电压、平均电流密度等电性能.对不同输入燃料浓度的直接甲醇燃料电池性能进行模拟,得到的模拟结果与实验规律一致,输入燃料浓度的增加将使直接甲醇燃料电池的极限输出电流密度成比例增加.     

选区激光熔化工艺参数对燃料电池316L不锈钢双极板性能的影响

316L不锈钢材料具有耐蚀性好、成形性好、成本低等优点,在燃料电池金属双极板领域有着良好的应用前景.基于传统等材、减材加工方法难以成形复杂结构燃料电池双极板的瓶颈,使用选区激光熔化技术可实现复杂结构316L不锈钢双极板的成形制造.针对燃料电池不锈钢金属双极板的应用背景,系统研究了不同激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度)对所成形316L不锈钢材料微观组织及双极板所需耐蚀性和表面接触电阻的影响,并对比了传统锻造316L不锈钢与选区激光熔化316L不锈钢在显微组织和性能上的差异.结果 表明,选区激光熔化成形316L不锈钢的致密度随着激光功率的增大而增大,随着扫描速度的增大而减少,并在激光功率为300W,扫描速度为1500～2000 mm/s时达到最大值.相比于具有等轴晶特征的锻造不锈钢试样,选区激光熔化成形不锈钢试样柱状晶组织有利于降低晶界对电流的阻碍作用,从而降低了表面接触电阻;同时,随着样品表面粗糙度的提高,选区激光熔化成形不锈钢试样的表面接触电阻降低.致密度高的选区激光熔化成形不锈钢试样的耐蚀性优于锻造成形不锈钢试样,且随着致密度的减小,选区激光熔化成形试样的耐蚀性逐渐降低.本研究结果表明选区激光熔化成形316L不锈钢材料可用于燃料电池金属双极板.     

直接甲醇燃料电池阳极非贵金属催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池相对质子交换膜燃料电池具有工作温度低、安全性高等诸多优点,近年来成为研究的热点。但因其阳极催化剂材料成本较高且抗CO毒化能力弱等劣势阻碍了直接甲醇燃料电池的大规模工业应用。因此发展代替贵金属Pt的阳极催化剂材料十分重要。本论文旨在介绍直接甲醇燃料电池的阳极非贵金属催化剂的研究进展,并且讨论他们的结构特点、性能以及存在的挑战。     

流场尺寸对PEMFC性能影响

基于COMSOL Multiphysics仿真软件对质子交换膜燃料电池的阴极流场进行了仿真研究,通过对压力、速度、氧气浓度与电流密度等参数的研究来比较多通道蛇形流场的尺寸对质子交换膜燃料电池的性能影响。指导质子交换膜燃料电池流场设计。