质子交换膜燃料电池气体扩散层的耐久性研究

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)用气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)的耐久性问题进行了评述,分析了扩散层老化的原因,并对GDL耐久性的实验研究方法及表征手段进行了总结,最后对GDL的耐久性研究进行了展望.     

质子交换膜燃料电池气体扩散层的力学改进模型

针对质子交换膜燃料电池膜电极结构力学特性复杂,导致工程中的仿真分析结果难以与真实情况吻合的问题,对膜电极结构中气体扩散层的复杂力学行为进行描述,进而改进燃料电池力学仿真的准确性。首先,提出了气体扩散层微观结构的改进模型,并通过实验的方法确定了模型参数。然后,利用UMAT用户子程序在Abaqus中进行有限元仿真验证。实验与仿真结果表明,本文力学改进模型能够较好地模拟气体扩散层的非线性力学行为,可以提高燃料电池工程仿真的准确度,可应用于燃料电池装配及机械寿命预测的工程分析中。     

气体扩散层对质子交换膜燃料电池膜电极耐久性影响的定量分析

目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)耐久性相关的材料研究主要集中在膜以及催化层上,对气体扩散层(GDL)衰减的研究较少,而且都集中在离线加速实验上,而离线加速实验结果难以与实际操作条件下的GDL衰减联系起来;并不能由此得出实际耐久性测试后GDL衰减对电池性能的影响程度。作者给出了定量分析GDL影响电池性能的实验方法。成功定量分析了GDL对MEA的耐久性影响:在800 mA/cm~2下,由GDL老化引起的MEA性能衰减率为13.22μV/h,在线耐久性测试的MEA性能衰减率为98.98μV/h,GDL衰减对性能的影响占整个MEA衰减的13.36%。     

基于COMSOL的质子交换膜燃料电池梯度扩散层的数值模拟

为了研究质子交换膜燃料电池的扩散层结构对燃料电池导电、排水、导气等性能的影响,利用COMSOL Multiphysics软件对质子交换膜燃料电池进行仿真模拟分析,主要针对扩散层孔隙率沿厚度方向梯度变化的规律及燃料电池阴极侧传质过程和电池性能进行了模拟分析。结果表明：采用梯度结构的扩散层可以减小阴极水淹现象的发生,孔隙率梯度分布的扩散层电池性能优于孔隙率均匀分布的扩散层的电池性能;在平均孔隙率相同时,孔隙率梯度结构变化越大,阴极侧排水能力越强,液态水残留量越少。     

质子交换膜燃料电池阴极有序催化层数学模拟

建立了质子交换膜燃料电池阴极有序催化层的二维数学模型以分析影响性能的主要因素并优化结构参数.模型方程涉及质子、电子传导,气体扩散和电化学反应等过程,并以有限元法求解.计算结果表明,阴极有序催化层通过降低传质阻力而显著提高了电化学性能;影响传递性能的主要因素是O2通过电解质膜的扩散,电子和质子传导以及O2的气相扩散作用不大;降低碳载体和气孔直径、增加催化层厚度主要通过增加催化剂载量改善催化层性能,而减小电解质膜厚度可以促进O2扩散而提高催化层性能.     

质子交换膜燃料电池催化层电流形成途径的单电池研究

利用特殊设计的三电极单电池测量系统,研究了具有"双层结构催化层"中电流的形成途径和动力学."双层结构催化层"通过在正常的"Pt/C+Nafion"催化层与扩散层碳纸之间引入一薄层Pt黑或Pt/C形成.循环伏安测量表明,尽管外加催化层中不含电解质组分,但其中的催化剂仍然可以参与电流的形成,并且外加层中的催化剂的利用率与气体湿度密切相关.初步的研究结果表明,未与Nafion膜直接接触的催化剂主要通过反应物的吸附以及吸附物种表面扩散过程参与燃料电池反应.     

5 kW质子交换膜燃料电池堆之气体与水管理系统

开发了一个气体与水管理系统,藉以配合5kW质子交换膜燃料电池堆(Ballard 1310),使燃料电池的发电效率提升,并应用在小型运输工具之辅助动力装置(APU).气体与水管理系统包含4个子系统:氧化物供应系统、氢气供应系统、冷却系统与控制系统.原设计之各子系统中,感测组件过多以及管路过长,易出现热耗散及不均匀的现象,使供应气体温度下降.在新的简化设计中,减少各系统中的感测组件及缩短的管路,能有效提升供应气体之温度,提升燃料电池的性能.此外,电池效能会被在不同负载下的气体相对湿度与氢气消耗量影响,氢气消耗量在负载100A时较负载10A时多44%,故分析氢气于各负载下的消耗情形与气体相对湿度,有助于设计理想的氢气再循环机制,而提升氢气的使用效率.为使总输出功率可达10kW,后续工作将以另一5kW燃料电池堆系统与原系统结合二极管做串并联组装,且因两电池堆之效能输出几乎一致,故全系统将可进行长时间且稳定之高功率输出.实验结果显示在空气进口温度51℃与相对湿度54%时,电池堆最理想效能可达到65.5%.     

燃料电池电极扩散层碳纸性能评价

选择沥青基碳纤维作为制备碳纸的基体材料,控制工艺条件制备一次成型碳纸.对一次成型碳纸进行后处理得到电极扩散层基底碳纸,进行性能评价.结果表明自制碳纸与Toray TGP-H-90碳纸性能没有明显的差异,是一种比较理想的电极扩散层基底材料.     

质子交换膜燃料电池动态模型研究

对近10年内PEMFC从单电池到电池系统的动态模型进行了简要介绍.提出了当前动态模型工作中存在的问题,指出模型工作可能的发展方向1)从微观角度更趋近真实地描述电池内部过程,建立包括电极过程动力学与电化学热力学等的机理模型;2)从宏观的角度发展用于全面描述质子交换膜燃料电池系统的联合数学模型.     

质子交换膜燃料电池气体扩散层改性及其氧传质性能研究

通过电化学表面沉积的方法在碳纤维表面沉积一层有导电性的1,5-二氨基蒽醌(PDAAQ),再经过高温热处理,在碳纤维表面形成PDAAQ包覆层,制备了一种新型的质子交换膜燃料电池气体扩散层。由改性后的气体扩散层装配的单电池在铂载量为0.5mg/cm~2的情况下最高电流密度可以达到3 800mA/cm~2,功率密度达到1.62W/cm~2,超出了丰田Mirai车和我国重点研发计划的指标要求。通过SEM观察到PDAAQ在碳纤维表面均匀的包覆,除了提供疏水性外还保证了一定的孔隙度。氧传质阻力研究结果证明,经过PDAAQ改性后的基底层有着更低的氧传质阻力,保证了这种经过结构改性的气体扩散层在高电流密度仍然有着良好的性能。     

PEMFC梯度扩散层水传输模型的研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC：Proton Exchanges Membrane Fuel Cell）水管理是其可靠高效运行的关键，利用多孔介质毛细压力理论建立了PEMFC梯度扩散层液态水传输模型。在此基础上计算了催化层／扩散层和扩散层／流道界面上相饱和度差值为一定值时不同结构扩散层的液态水通过能力，就扩散层孔隙率对液态水传输的影响进行了分析。认为扩散层的过水流量随孔隙率的增加而增加，同时又随孔隙率的增加而增加。即如果扩散层具有较大孔隙率和较大孔隙率梯度，PEMFC可以发出更大的电流密度，而膜电极可能不会产生水淹现象。     

空气电极防水透气膜的工艺研究

对防水透气膜中各成分用量及制备工艺参数进行优化研究，确定了防水透气膜的最佳工艺条件，制备出空气电极，用空气电极与铝阳极成功组装单电池，并采用SEM、稳态极化曲线法和恒电流放电法对防水透气膜的性能进行研究．结果表明：防水透气膜具有优异的电化学性能，空气电极的极化明显减小，电流密度由82mA／cm^2提高到150m～cm^2；单电池样品的恒流放电容量在40Ah以上。     

可用于PEMFC燃料电池的钒基固体贮氢材料

介绍了V-Ti-Cr-Fe系列贮氢合金,该系列合金常温无需活化即可快速吸氢,放氢平台压可调,其1 atm以上的可逆吸放氢量超过质量分数2.0%,吸放氢循环500次的容量衰减小于30%.此外,由于利用了廉价的FeV80中间合金,解决了钒基贮氢合金价格昂贵的问题,是目前少有的综合性能优良的贮氢合金,可用于PEMFC燃料电池的高纯氢燃料的贮存载体.     

PEM燃料电池多孔介质扩散层分形维数的测定

为了研究质子交换膜燃料电池扩散层多孔材料微结构对仿真结果的影响,首先必须找出一种有效的方法来描述其微结构.尝试应用分形理论表征多孔材料的微结构,介绍了曲线和孔隙面积分形维数的定义,并采用盒维法对2个分形维数进行计算.计算结果表明,扩散层试样的曲线分形维数为1.144 7,面积分形维数为1.927 6.     

PEMFC阴极催化剂性能的探讨

依据PEMEC阴极催化剂层内氧消耗和电流生成平衡的原则，建立了反映阴极催化剂层性能的数学模型，并用实验验证了此模型的有效性。分析了过电压、质子传导率和催化剂表面积等参数对催化剂层性能的影响。     

几种脱硫用阻垢剂性能研究

研究主要测试3种备选脱硫阻垢剂配方(NS-1,NC-2和NL-3)的阻垢性能以及最佳添加浓度,通过在实验室进行pH缓冲实验和挂片结晶试验进行对比分析,实验结果显示,型号为NL-3的脱硫系统阻垢剂的阻垢效果较好,并且经济实用,是综合效益最优的脱硫阻垢剂配方.     

野生海藻粉作蛋鸡饲料添加剂的研究

本试验采集了黄海浅海滩生长量大的浒苔,宜苔和孔石莼等三种野生海藻,按等比例配成混合藻粉,通过饲喂试验,结果表明,商品代蛋鸡料中添国３％和５％海藻粉添加剂,对提高产蛋率,蛋重和降低料耗等均有一定的效果,且能提高鸡蛋中的含碘量。