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.     

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。     

渐变型流场对PEMFC传质和性能的影响

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Full Cell,PEMFC)流场板结构对燃料电池性能有着重要的影响。在保证模型尺寸和结构尺寸的前提下,建立了阴极、阳极、阴阳极分别具有渐变型流场的质子交换膜燃料电池三维模型,并用有限控制体法对模型进行了求解。结果表明,在大电流区域,渐变形流场可以提高气体的浓差扩散,从而提高电池的性能,但阴极氧气的传输对电池性能的提高远大于阳极氢气的传输对电池性能的提高。因此,阴阳极均为渐变型流场的电池性能最好;阴极为渐变型流场,阳极为直型流场的电池性能次之;阴极为直型流场,阳极为渐变型流场的电池性能再次;阴阳极均为直型流场的电池性能最差。     

运行参数对单体直接甲醇燃料电池性能的影响

分别在不同温度、不同燃料浓度、不同燃料进料速度下测试了单体直接甲醇燃料电池的极化曲线、功率密度曲线以及阴、阳极的极化曲线.结果表明:随着电池操作温度升高电池性能逐渐提高,阳极极化过电位明显减小;但甲醇的渗透速率也同时增大,在阴极产生混合电位,增大了阴极极化;随着进料浓度升高,阳极出现浓差极化的电流密度增大,甲醇渗透速率增加,阴极电化学极化过电位增大;在电池运行温度、阳极燃料浓度一定情况下,进料速度对电池性能影响相对较小;在所研究的电池运行参数范围内,电池温度为60℃、阳极燃料浓度为1.0 mol/L、进料速度为2.5 mL/min时电池的性能最佳,最大功率密度为61.7 mW/cm2.     

直接甲醇燃料电池阳极两相流动可视化实验

对有效面积为9 cm2的直接甲醇燃料电池(DMFC)进行了可视化实验研究,观察了阳极流道内两相流动的情况,研究了平行流道内CO2气泡的生长特性以及不同甲醇浓度、甲醇进料温度、甲醇流量及阴阳极压差下CO2的流动及其对电池性能的影响.研究表明:CO2气泡在扩散层表面与流道侧壁面的角区出现,此后又多在碳布纤维束之间的交叉空隙中优先生成,之后经历聚合、长大、形成不连续气弹,两相流周期性地重复出现;甲醇流量的增加加快了CO2气泡的排出速度,甲醇传质增强,电池性能提高;甲醇温度升高降低了CO2的溶解度,CO2气泡体积变大,但甲醇传质的增强和催化反应速度的加快使得电池性能提高;甲醇浓度增大,电池性能提高,但浓度过高导致电池性能急剧下降;阴阳极压差增大使得大的CO2气弹增多,但催化剂表面氧气浓度的提高和甲醇渗透减弱提高了电池性能.     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

固体氧化物燃料电池研究--10%Cu-Ce0.15Zr0.85O2作阳极材料

以10%Cu-Ce0.15Zr0.85O2为阳极、Pt为阴极和参考电极,组装了固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池并进行了测试,考察了操作温度、甲烷流量等对电池性能的影响,发现提高操作温度以及在阳极材料中添加CeO2可以显著改善电池性能。升高温度,阳极极化曲线中的极限电流密度值随之上升;阳极中CeO2含量为10%时,功率最大值由未加时的4.10 mW/cm2增大至9.76 mW/cm2,对应的电流密度由12.22 mA/cm2增大至35.7 mA/cm2。甲烷的流量对电池开路电位有显著的影响,但当甲烷流量在18 mL/min以上时,其影响已十分微弱。     

反应气体加湿对PEMFC膜温度的影响

质子交换膜燃料电池内部水对交换膜的温度分布有着极为重要的影响,从而对燃料电池性能有着重大意义。以交指型结构的质子交换膜燃料电池在工作电压为0.5 V对应的工作电流密度下为例,分析研究了阴阳极不同加湿程度对膜温差的影响以及阴阳两极加湿对电流密度和膜的温度的影响的比较。数据表明,阴阳极的加湿对于膜的温差有很大的影响,且在较低加湿条件下阳极比阴极加湿更能改善电池的性能和膜的润湿程度。     

基于不同电极位置的PEMFC运行特性研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种有巨大发展潜力的发电装置,特别适合成为新一代便携式电源和电动汽车的动力源。水是影响燃料电池性能的关键因素,良好的水管理是使其安全稳定运行和提高其性能的必要条件。在PEM燃料电池的阴极侧安装风扇,向燃料电池提供氧化剂和降低电池温度,通过实验,观察到在电池堆方向发生变化的情况下,PEM燃料电池性能及其内部传质情况会发生明显变化。实验结果发现:当电流密度较小时,电极方向对PEM燃料电池的性能影响不明显;当电流密度较大时,阳极在上、阴极在下时燃料电池性能优于阴极在上、阳极在下的燃料电池性能。     

基于运行参数的直接甲醇燃料电池的实验

通过改变直接甲醇燃料电池的运行参数,研究了阳极甲醇流量、阴极空气流量、温度、阴极空气背压和甲醇浓度对电池性能的影响.研究表明:电池性能随阳极甲醇流量的增加先升高后降低,存在一个流量最优值;阴极空气流量提高有利于产物水的排出,从而提高电池性能;电池性能随电池温度的升高而提高,过高的空气预热温度使阴极过分干燥,从而使电池性...     

PEMFC净水传递研究

水传递是质子交换膜燃料电池水管理的基础.采用活性面积为390 cm2的分体式集成电堆对Nafion112膜净水传递规律进行研究,发现Nafion112膜从阳极向阴极方向的净水传递系数随着电流密度、温度、阴极和阳极压差或压力的升高而不同程度地降低;在干氢气下操作时,电池电化学反应产物水向阳极净水传递,并随干氢气流量的增加而增大.     

加湿对PEMFC性能的影响

研究了在重力作用下,反应气体的湿度对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响.通过控制加湿温度,控制反应气体的相对湿度;通过改变阴极和阳极的相对位置,来改变PEMFC内部的水管理.阳极不加湿(阴极加湿)时,PEMFC的性能最差;阴极不加湿(阳极加湿)时,PEMFC的性能最好.阳极在上时,重力对阴极排水有积极的作用;阴极在上时,重力阻碍阴极排水.     

反应气相对湿度对PEMFC性能的影响

反应气相对湿度影响电池内部水的输运和质子膜的质子传导率,合适的反应气湿度可改善电池性能.利用三维数值模型分析反应气相对湿度对直通流道和交叉流道质子交换膜燃料电池性能的影响.模拟结果表明,当阳极反应气相对湿度为100%时,低操作电压条件下,降低阴极反应气相对湿度有利于电池性能提高,然而在高操作电压条件下,电池性能随阴极相对湿度的增加而提高;当阴极反应气相对湿度为100%时,低操作电压条件下,降低阳极反应气相对湿度,电池性能提升,高操作电压条件下,电池性能不依赖于阳极反应气相对湿度.通过对电池内部局部传递特性的分析,从质子交换膜湿润性及阴极传质限制两方面分析探讨了反应气相对湿度对电池性能影响的原因.     

固体聚合物电解质燃料电池中的水平衡

水的生成与排出之间的平衡对于固体聚合物电解质燃料电池的成功运行特别重要.文中详细介绍了有关水平衡方面的数学模型研究及其湿化设计.模型研究表明,在高电流密度下从膜阴极侧扩散回的水不足以使膜湿润.为了减小膜的欧姆压降,阳极气流必须湿化.并且,当用空气代替纯氧时,阴极气流也必须湿化.     

不同温度下磁场对PEMFC的工作性能影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧垂直加载410 mT磁场,考察不同气体温度下磁场对PEMFC工作性能的影响。结果发现:PEMFC在加载磁场后的工作性能优于不加载磁场的电池性能,当工作温度为45℃时,磁场提升PEMFC功率密度最大,达到14.4%。当PEMFC阳极侧和阴极侧采用不同温度条件时,加载磁场后PEMFC的工作性能提升幅度有很大不同,不加磁场时,氢气侧65℃、氧气侧45℃时的极化曲线斜率比氢气侧45℃、氧气侧65℃时的大很多,但加载磁场后,两者之间的斜率差缩小,表明磁场对电池内部氧气传质影响大于对氢气的影响。     

催化层与扩散层热压结合对DMFCs性能的影响

通过压汞法(MIP),交流阻抗法(EIS)研究了催化层和扩散层之间的结合条件对直接甲醇燃料电池(DMFCs)性能和稳定性的影响.结果表明,将采用转压法制备的膜电极与扩散层热压结合可以优化阴极扩散层的孔径结构,形成有利于水从阴极到阳极传输的返水结构,降低了传质阻抗,改善了在常压低化学计量比空气进料条件下阴极容易水淹的问题,显著提高了DMFCs单电池的性能和稳定性.