质子交换膜燃料电池性能影响因素的数值分析

为研究交指流场质子交换膜燃料电池的输出性能,分析影响其性能的因素,寻找改善其性能的可行措施,探讨了使用交指流场流道的必要性和优越性,建立了包括质子交换膜燃料电池阴极/阳极侧流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的完整的稳态、三维、两相数学模型.基于计算流体力学方法,用该模型对交指流场质子交换膜燃料电池的全流场进行了统一的数值计算以模拟其输出性能,分析了流场流型、氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度和双极板筋宽对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,确定了提高质子交换膜燃料电池输出性能的一些方法.将理论模型的模拟计算结果与实验结果进行比较,两者较为吻合.     

质子交换膜燃料电池混合流场的研究

质子交换膜燃料电池双极板上流场的设计在很大程度上影响燃料电池的性能.传统燃料电池平行流场虽然结构简单,易于加工,但存在气体分布均匀性不佳,水淹现象严重等问题.本文对传统的平行流场进行改进,设计了一种新型混合流场的质子交换膜燃料电池,并利用Comsol软件对新型混合流场燃料电池的阴极气体浓度、水的摩尔浓度、电流密度进行计算分析.结果表明,混合流场燃料电池在气体分布均匀性、水的去除能力上均优于传统平行流场燃料电池.     

质子交换膜燃料电池薄金属双极板性能优化与设计

针对质子交换膜燃料电池制造技术实用化的瓶颈，研究了质子交换膜燃料电池低成本制造与性能优化问题，建立了质子交换膜燃料电池半个单池的三维计算模型，采用计算流体动力学技术对阳极燃料气体（H2）流场进行了数值模拟；以阳极最大燃料气体（H2）利用率为目标优化流场板沟槽尺寸，设计了一种操作成本低、容易批量生产的板料冲压成形薄金属双极板结构，可增大电池组体积比功率和提高燃料电池的性能；利用弹塑性有限元方法模拟阳极流场板冲压成形过程，验证了板料冲压成形金属双极板结构的可行性．     

车用燃料电池堆与电压变换器的联合仿真

针对质子交换膜燃料电池输出特性不稳定问题,设计了一种以升压电路为主电路,联合脉冲激发的开关控制器为控制电路的直流-直流电压变换器。依据质子交换膜燃料电池原理,搭建出额定功率为35 k W的车用质子交换膜燃料电池堆模型,并验证了模型的有效性和可操作性。为了验证所设计变换器的控制效果,将35 k W质子交换膜燃料电池堆与直流-直流电压变换器进行了联合仿真。仿真结果表明:所设计的直流-直流电压变换器0.4 ms就能将电压稳定且误差控制在1.2%以内,能够很好地满足车用质子交换膜燃料电池堆对升压和稳压的要求。     

微型平面6-cell组合再生式燃料电池电源的制作与性能

首次设计并制作了一种微型平面6-cell组合的质子交换膜再生式燃料电池(PEM-URFC)电源系统. 该微型电源由一片含多个膜电极单元的质子交换膜做为电解和发电的双功能膜电极组件,一个装有储氢材料和电解用水的底盒做为氢气储放和给水装置,通过带有气流孔的底板、碳极板及顶板紧密压合而成. 在电解模式时,该电源系统将水分解产生氢并通过储氢合金存储于底盒中;而在燃料电池模式时,氢再被释放出来与空气中的氧进行放电反应而产生电流. 常温常压下,该微型电源的开路电压可达4.9 V,在3.0 V的工作电压下,能维持19 mA/cm2放电约40分钟左右. 该电源系统具有良好的充放电循环能力,在10次充放电循环后, 电池性能依然能保持稳定.     

基于代理模型的直流道质子交换膜燃料电池优化设计

质子交换膜燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置.应用Kriging代理模型结合遗传算法对流道宽、流道高和岸宽3个几何参数进行了优化设计,以质子交换膜燃料电池的净功率作为优化的目标函数来评价质子交换膜燃料电池的性能.数值模拟应用了商业软件ANSYS FLUENT.优化后的质子交换膜燃料电池流道内具有更高的压力,使更多的反应气体参加电化学反应,因此优化后的质子交换膜燃料电池的性能得到了提高.     

不同工作条件下燃料电池输出特性的数值分析

针对某金属双极板燃料电池,为了分析不同工作条件对其输出特性的影响,采用计算流体动力学(CFD)方法对质子交换膜燃料电池进行了数值模拟,并通过与试验结果进行对比证明了仿真结果具有一定的参考价值。其后着重分析了工作温度、工作压力、反应物湿度对该金属双极板燃料电池输出特性的影响。结果表明,燃料电池性能受气体传质及膜的质子传导性的影响较大,增大工作压力、增加反应物湿度和适当提高工作温度能够改善燃料电池输出性能。对该金属双极板燃料电池,推荐工作温度为313K~333K,氢气100%加湿,空气60%加湿。     

质子交换膜燃料电池的研究与应用

在能源和环境危机的今天,质子交换膜燃料电池由于其特点和优势有着更多的发展前景。文章在介绍质子交换膜燃料电池在各领域应用和发展现状的同时,也从电池材料和制造技术、成本、氢能源等几个方面进行了分析,阐述了质子交换膜燃料电池发展中面临和要解决的一系列问题。     

不同因素对质子交换膜燃料电池的影响

随着能源危机及环境问题日益加剧,一种无污染且效率较高的电池——质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究对实际应用也日趋重要,研究的主要指标则是输出特性。根据质子交换膜燃料电池的数学模型,在simulink环境下建立了其稳态模型并进行仿真。对影响质子交换膜燃料电池输出特性的因素(单个电池的电压,活化过电压,欧姆过电压,浓差过电压,功率以及电池效率)进行分析,以电流密度为横轴,得出在不同工作温度,不同气体压强以及不同膜的水含量的情况下质子交换膜燃料电池的最佳稳态输出特性。通过优化参数,改善燃料电池的性能,这对质子交换膜燃料电池的实际应用具有重要的意义。     

专利技术

质子交换膜燃料电池电极制备新方法 一种质子交换膜燃料电池电极制备新方法,涉及燃料电池的电极制备方法。本发明直接利用市场上的商品原材料,在含铂离子的水溶液中,在Nafion　粘接的碳载体粉末的基体碳布(或纸)电极上,用电化学沉积的方法将铂沉积在与质子交换膜组分接触的碳     

A novel graphite/phenolic resin bipolar plate modified by doping carbon fibers for the application of proton exchange membrane fuel cells

In this study, the carbon fibers treated by three methods were selected as a reinforcement to investigate the influence on the properties of composite bipolar plates. The properties and microstructure of the composite bipolar plate were characterized by the four-point probe, universal test machine, contact angle tester and scanning electron microscopy. The optimum treatment methods and the fiber content were analysed. The results showed that the carbon fibers treated by Fenton reagent for 2 ​h exhibited the best performance, which could improve the electrical conductivity and the flexural strength for composite bipolar plate. Besides, the optimal content content of carbon fibers treated by Fenton reagent was 4%. The maximum power density of the PEMFC with the composite bipolar plates could reach 662.75 ​mW ​cm⁻² in H₂-air conditions. Therefore, the phenolic resin/graphite composite bipolar plate modified by doping carbon fibers was a promising candidate for bipolar plate materials for PEMFC.     

膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板研究

以膨胀石墨为导电骨料、炭黑为添加剂、酚醛树脂为黏结剂,采用模压成形工艺制备质子交换膜燃料电池用膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板.考察树脂含量、成形压力、添加剂用量及添加剂加入方式对复合材料双极板性能的影响.研究结果表明:上述因素对复合材料双极板的性能影响较大,黏结剂的加入量(质量分数)为20％-30％、压力在10～12 MPa较为合适;炭黑对复合材料双极板的性能影响比较复杂,在实验用炭黑范围内,随着炭黑用量的增加,电导率增大较快,抗折强度先增大后减小;在复合材料的混料过程中,将炭黑添加在树脂中,制备的复合材料双极板性能比炭黑添加在膨胀石墨性能好.     

质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性涂层研究进展

用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的金属双极板,因其可加工性强、导热导电性优而受到广泛关注．作为燃料电池的重要组成部分,双极板的生产成本和性能是电堆投入实际应用、扩大应用范围的关键．金属双极板在PEMFC酸性且润湿的环境中,受到的侵蚀及其表面氧化带来的接触电阻的降低对其实际应用产生了挑战．本文简述了制备双极板表面改性涂层的方法,对比了用于极板改性的多类型涂层(金属基涂层、非晶碳涂层和氮化物涂层)在膜基结合力、界面导电性、耐腐蚀性能和疏水性等方面的差别,分析了改性涂层的腐蚀机制和影响涂层性能表现的因素,探讨了涂层在结构设计、失效机制、元素选择等方面存在的问题,讨论了降低极板成本、提高耐久性这一极板改性研究的主要趋势．      

薄型金属流场板燃料电池性能研究

对某金属流场板燃料电池进行性能试验,通过与某石墨流场板燃料电池在燃料电池效率和单电池平均电压等性能上的对比,对该电堆的整体性能进行了评价.同时对该金属流场板燃料电池进行了100 h振动可靠性试验,振动后通过对单电池电压的分析,发现该金属流场板燃料电池单电池一致性下降,每次振动后极化特性试验中单电池电压最大值出现的位置并无明显规律,而单电池电压最小值出现的位置为燃料电池的末端.     

增强金属基双极板导电和耐腐蚀性能的石墨烯基涂层的研究进展

应用于金属基双极板的石墨烯基涂层引起人们广泛的兴趣。综述了目前金属基双极板面临的问题,总结了已经报道的关于制备石墨烯基涂层的方法（化学气相沉积法、电沉积法、喷涂法、自组装方法）以及这些方法的优缺点。石墨烯优良的阻隔性能可以充当金属基双极板的钝化膜,对石墨烯进行改性或者对金属基双极板进行表面处理可以有效地改善石墨烯涂层与金属基双极板的相容性。导电聚合物可以有效地改善石墨烯涂层与金属基之相容性,并且能够填补石墨烯片层间的缝隙,提高涂层的致密度。导电聚合物能够以石墨烯为模板进行生长,降低涂层的表面粗糙度。最后提出对石墨烯改性以增强其与金属基双极板的相容性,以及发挥其与导电聚合物协同效应是未来的研究方向之一。     

304不锈钢双极板性能研究

以304不锈钢做为研究对象,测定了其在模拟PEMFC环境下的极化曲线,极化时间分别为4h和10h的交流阻抗谱,用伏安法测量了304不锈钢表面氧化膜／钝化膜与碳纸之间的接触电阻。实验结果表明,304不锈钢能够钝化且钝化电流密度低于16μA·cm^-2;随着极化时间增加,不锈钢表面生成的钝化膜的界面极化电阻增加,表面钝化膜有增厚的趋势;经过恒电位极化后,304不锈钢的钝化膜与碳纸的接触电阻显著增加,模拟阴极环境的接触电阻大干模拟阳极环境的接触电阻。     

钢带捆扎燃料电池电堆端板尺寸和形状优化

针对捆扎式燃料电池金属双极板电堆端板受集成力作用易发生变形的现象,设计了一种钢带捆扎式燃料电池电堆的新型端板结构,并通过有限元原理和数值仿真分析对其进行结构参数优化.基于Ansys Apdl程序化语言,建立端板的结构力学分析模型.采用尺寸优化方法,以电堆多个钢带间受力均匀度高、端板质量小和单个钢带固定螺栓轴线偏移程度低为目标函数,分析端板各尺寸对上述目标函数影响程度,从而确定出优化后的尺寸和形状,改善钢带受力和电堆各个部件间接触压力的均匀性,并建立了一个11层的燃料电池电堆1/4二维模型,比较了端板优化前、后双极板脊背与膜电极(membrane electrode assembly)间接触压力分布均匀度.     

一种改进的质子交换膜燃料电池系统动态模型

在已有的质子交换膜燃料电池系统模型基础上添加气体扩散层模型和膜电极组件动态模型,研究膜中水含量的动态特性.仿真结果表明,系统动态模型改进之后其输出性能与实验值误差较小,能够反映外部操作条件变化对电池内部电化学反应和物料传递过程的影响,膜中水含量和输出性能的动态响应过程更加接近实际情况,相关信息可用于间接控制膜中水含量和优化系统.     

细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析

本文简述了质子交换膜燃料电池双极板的基本概念,分析了细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中应用的优缺点。指出细鳞片膨胀石墨优点是比表面积大、密度均匀、复合性能好,不足之处在于纯度不够高,在回弹性、导电性方面不如大鳞片膨胀石墨。指出细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中的应用发展方向在于复合双极板。