高温PEMFC的性能衰减研究与一维数值模拟

以PBI/H3PO4体系高温质子交换膜燃料电池为研究对象,进行了500h恒负载条件下的连续寿命实验,运用电化学电位扫描技术和交流阻抗技术测试了电池在连续运行过程中的电化学活性面积(AEC)和电池内阻的变化,实验结果表明在500h的连续寿命实验中,电池性能衰减的主要原因是高温操作条件下由于催化剂的烧结造成的电化学活性面积的损失。同时,建立了基于高温体系的一维数学模型,利用电化学方法测试得到的两个重要参数——体交换电流密度和电池内阻作为模型输入参数,计算了电极扩散层的反应气体浓度分布,运用模型模拟了电池在连续寿命实验中不同时间的稳态极化曲线,模拟结果和实验结果基本一致。     

动态工况条件下PEMFC电堆内的水热行为

PEMFC的水热行为直接影响它的性能与寿命。用现场温度测量与流体力学计算(CFD)相结合的方法,研究了kW级PEMFC电堆内部在动态工况条件下的水热行为,发现MEA表面的温度和质子交换膜内水含量分布呈现区域差异性,且随动态工况周期或电流密度的变化而变化。这种水热行为容易造成MEA局部区域水热疲劳损伤,引起裂纹生成,导致催化层结构受到破坏及质子交换膜性能衰减。控制电堆内的水热行为,减少它对MEA的损害,将是提高PEMFC电堆耐久性的有效途径。     

一种无排水质子交换膜燃料电池系统的设计

基于自制质子交换膜燃料电池(PEMFC)及相关设备,结合脉动进氢原理,设计搭建无排水PEMFC系统并提出相应的控制策略,加强脉动进氢的效果,使流道内部界面的生成水更均匀,水平衡更好,PEMF℃系统无需进行定期排水。经实验验证,实现了PEMFC无排水,避免了由此带来的不足和缺陷,同时能够保持PEMFC的输出性能稳定近8 h无衰减。     

碳纳米管负载La-Ni-Pt催化剂的制备与性质

采用改进的多元醇还原法以乙二醇为反应介质、PVP为保护剂、水合肼为还原剂,制备了碳纳米管(CNTs)负载的La-Ni-Pt合金催化剂,并对CNTs进行了预处理。采用XRD、TEM和EDS法,对样品La-Ni-Pt/CNTs合金和La-Ni-Pt合金的晶相结构、形貌和表面元素进行了分析;采用电化学工作站对电催化性能和耐酸腐蚀性能进行了研究。通过使用CNTs作为载体,催化剂的电催化性能和耐酸腐蚀性能均得到了提高。     

PEMFC阴极系统的混合智能PID解耦控制器设计

60 kW PEM FC发电系统要求安全性、可靠性和持久性,理想的电堆湿度和压力控制很重要。在电堆阴极系统的动态仿真和分析基础上,针对系统强非线性动态耦合的特点和控制要求,设计了阴极湿度和压力的混合智能PID解耦控制器。系统实时控制的仿真实验结果说明,利用带二次型性能指标的单神经元PI控制器,调节空气增湿器水泵的注入水流量来控制阴极湿度,控制结果快速而且稳定。以对角回归神经网络(diagonalrecurrentneuralnetw ork,DRNN)动态辨识为基础的增量式PID控制器,调节空压机送往电堆阴极的空气流量,使阴极压力的控制更加稳定和精确。两个控制器的良好配合不仅能够克服系统的非线性动态和耦合特性,而且能够克服系统负载的实时功率需求的影响。     

氢空PEMFC发动机的几个须关注的问题

针对一个2.5kW氢空质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆,研究了不同负载下电堆侧面的温度分布、不同温度下电堆极化曲线、以及不同电流时单电池电压的变化。实验表明,PEMFC发动机设计中以下几个问题应该予以关注(1)电堆温度分布具有明显非均匀性,中心温度一般比边缘高,减小温度不均匀性对于充分发挥电堆性能具有重要意义;(2)低温下电堆性能比高温低很多,并且低温大电流时电堆难以稳定,这增加了发动机低温启动难度;(3)单电池一致性的提高,可以提高电堆性能,减小辅助系统功率和体积。     

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。     

膜电极性能的影响因素研究

文章以有机多孔膜为电极支撑体制备了亲水电极,用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。考察了电极在全氟代磺酸离聚物(Nafion)的玻璃化温度处理、催化层中Nafion的含量、以及不同厚度的有机多孔膜等因素对电极性能的影响。测试结果表明亲水电极中Nafion分子的有序排列可以减小电极的极化,减小作为电极支撑体的有机多孔膜的厚度有利于电极性能的提高。采用70%Pt/C制备电极时,Nafion的最佳含量为25%,在1000mA/cm2的电流密度下,电池电压为0.615V。     

PEMFC的自增湿膜电极结构和性能研究

设计并制作了一种新结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)自增湿膜电极。其特点是在催化层和扩散层之间建立水管理层(WML),WML由不同质量比的炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)组成双层结构。为了减小气体反应物的扩散传质阻力,在WML的制作过程中加入了具有高分解温度和高溶解度的(NH4)2SO4造孔剂。用单体PEMFC的电流密度-电压曲线评价了膜电极在外增湿和自增湿方式下的极化特性;用环境扫描电子显微镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构。实验结果表明,所制备的膜电极具有良好的水管理能力,在较宽的电流区域内具有良好的电化学性能。     

石墨颗粒级配对复合板导电及阻气性能的影响

通过模压工艺制备了石墨-酚醛树脂复合板。考察了不同石墨颗粒级配情况下复合板的导电和阻气性能。实验发现粒度比和体积分率对石墨聚合物复合板性能有重要影响。150目石墨和50目石墨配比,复合板导电性能出现先上升后下降的趋势,150目石墨和50目石墨的配比为0.05∶0.95时导电性能最好,而325目石墨和50目石墨配比,复合板导电性能出现单调上升的趋势。150目和325目石墨分别与50目石墨以0.01∶0.99配比时,复合板阻气性能达到最佳。