质子交换膜燃料电池的研究进展

论述了质子交换膜燃料电池的开发现状及国内外研究进展；同时介绍了趋于成熟的贮氢技术，包括质子交换膜、双极板、膜电极和电催化剂在内的关键技术、应用以及未来展望。     

“凝胶反应注射成型质子交换膜燃烧电池双极板的装置”获国家发明专利

由我校机械工程学院倪红军等共同设计的“凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置”．获得国家知识产权局颁发的发明专利证书．     

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.     

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.     

质子交换膜燃料电池双极板与气体扩散层接触压力测量与模拟

质子交换膜(PEM)燃料电池的组装力和工作温度对双极板与气体扩散层(GDL)之间的接触压力有着重要影响,而双极板与气体扩散层之间接触压力的大小与分布对燃料电池的电化学性能至关重要。基于有限元软件ABAQUS开发了PEM燃料电池预紧力-温度顺序耦合程序,预测得到了不同螺栓预紧力和温度下双极板与气体扩散层间接触压力的大小和分布。有限元分析结果表明:接触压力随预紧力的增大而增大;燃料电池的工作温度对双极板与气体扩散层之间的接触压力有重要影响,接触压力随温度的升高而增大。采用压力传感膜技术试验测试了双极板与GDL之间的接触压力大小与分布,试验结果与模拟结果吻合较好。     

微型燃料电池设计与三维数值模拟分析

以一反应面积2.5 cm 2利用微机电制程蚀刻流场板之微型质子交换膜燃料电池为研究对象,利用CFD-ACE+软件仿真燃料电池电化学反应分析微型燃料电池内部质子交换膜电化学反应分布情形,三维数值仿真电池性能与实验测试数据相互验证。三维模型仿真分析2个不同气体流量电流密度、温度、水和水含量于质子交换膜上的分布情形。结果表明：微型燃料电池内部温度分布受质子交换膜上气态水分布所影响,当操作电压定在0.4 V时,质子交换膜上较低的气体流量会有较佳的电化学反应,因此会有较均匀的电流密度分布,而质子交换膜上水亦较多且均匀分布,产生较低且较均匀的温度分布,仿真结果阐明微型燃料电池内部物理现象。     

质子交换膜燃料电池变载过程动态响应分析

为了研究质子交换膜燃料电池变载过程中气体传输对动态响应的影响,建立了5流道蛇形流场质子交换膜燃料电池三维单相模型,并基于实际参数进行Fluent仿真.分析了运行参数(包括工作压力、进气增湿、化学计量比)对质子交换膜燃料电池稳态性能的影响,以及运行参数对质子交换膜燃料电池动态性能的影响.结果表明:工作压力高、阳极湿度大、化学计量比大能提高燃料电池稳态性能,小电流密度下阴极湿度大燃料电池稳态性能好,大电流密度下则相反;工作压力高、化学计量比大、阴极湿度大能提高燃料电池动态性能.     

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。     

质子交换膜燃料电池金属双极板材料腐蚀性能研究

双极板材料及其相关技术是质子交换膜燃料电池实用化进程的关键,通过对几种金属材料在腐蚀池和模拟电池中腐蚀性能的对比研究,初步优选出一种表面无须处理,腐蚀性能与石墨相当,可直接适合在质子交换膜燃料电池环境下稳定工作的镍-铁-铬合金双极板材料。     

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．     

石墨粒度对膨胀石墨孔隙结构的影响

为研究不同粒度的鳞片石墨在膨胀过程中孔结构的变化情况，采用不同粒度的石墨在相同条件下经酸化、高温膨胀获得膨胀倍数不同的膨胀石墨.用扫描电镜观察原料石墨、可膨胀石墨及膨胀石墨形貌，结合膨胀石墨的膨胀倍数，结果发现用不同粒度石墨制备的膨胀石墨的孔隙结构（缠绕空间、V型裂开和网络型孔隙）的特征基本相同，但尺寸随粒度呈规律性的变化.证实石墨粒度、孔隙结构尺寸与膨胀倍数三者之间存在对应关系，粒度是石墨膨胀倍数不同的重要因素.     

壳聚糖/膨胀石墨对刚果红的吸附性能

先以天然鳞片石墨为原料,硝酸与磷酸为插层剂,高锰酸钾为氧化剂制备膨胀石墨,再与壳聚糖按一定的配比制备壳聚糖/膨胀石墨复合吸附剂;利用Fourier变换红外光谱（FT-IR)、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对壳聚糖/膨胀石墨进行表征;以壳聚糖/膨胀石墨为吸附剂,对刚果红废水进行吸附,考察壳聚糖/膨胀石墨的配比、吸附剂用量、刚果红质量浓度、吸附时间对吸附效果的影响. 实验结果表明：壳聚糖已与膨胀石墨成功结合;当m（膨胀石墨）∶m（壳聚糖）= 3∶1、吸附剂用量为1.75 g/L、刚果红质量浓度为250 mg/L、在室温下吸附40 min时,吸附效果最好;吸附过程更符合Lagergren准二级动力学方程;实验数据与Langmuir等温吸附模型拟合度更好,壳聚糖/膨胀石墨对刚果红的吸附过程为单分子层吸附.     

壳聚糖/膨胀石墨对刚果红的吸附性能

先以天然鳞片石墨为原料，硝酸与磷酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂制备膨胀石墨，再与壳聚糖按一定的配比制备壳聚糖/膨胀石墨复合吸附剂；利用Fourier变换红外光谱（FT-IR)、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对壳聚糖/膨胀石墨进行表征；以壳聚糖/膨胀石墨为吸附剂，对刚果红废水进行吸附，考察壳聚糖/膨胀石墨的配比、吸附剂用量、刚果红质量浓度、吸附时间对吸附效果的影响. 实验结果表明：壳聚糖已与膨胀石墨成功结合；当m（膨胀石墨）∶m（壳聚糖）= 3∶1、吸附剂用量为1.75 g/L、刚果红质量浓度为250 mg/L、在室温下吸附40 min时，吸附效果最好；吸附过程更符合Lagergren准二级动力学方程；实验数据与Langmuir等温吸附模型拟合度更好，壳聚糖/膨胀石墨对刚果红的吸附过程为单分子层吸附.     

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.     

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。     

膨胀石墨与炭黑协同补强天然橡胶复合材料的性能研究

采用强氧化法制备插层石墨(GIC),用微波辐射处理插层石墨制备膨胀石墨(EG)。结果表明,膨胀石墨表面较天然鳞片石墨粗糙,内部空隙增大,结构疏松;且表面有机官能团增多,结晶度下降。用机械共混法制备膨胀石墨/炭黑/天然橡胶复合材料,添加膨胀石墨后,填料在复合材料中分散性改善,复合材料的100%、300%定伸强度明显提升,Payne效应减弱,加工性能提升;但复合材料动态损耗因子增大,滞后效应明显。     

约束条件下石蜡-膨胀石墨复合相变材料热膨胀实验

采用水浴加热石蜡—膨胀石墨复合相变材料热膨胀压力试验装置,测试了约束条件下纯石蜡以及膨胀石墨质量分数分别为5％和10％的石蜡—膨胀石墨复合相变材料的膨胀压力.实验表明膨胀石墨的加入明显改善了石蜡—膨胀石墨复合相变材料的导热性能,使复合相变材料中石蜡的相变提前发生.膨胀石墨质量分数为5％和10％时,相变时间范围较纯石蜡相变时间分别缩短了30％和40％.膨胀石墨质量分数为5％时,石蜡—膨胀石墨复合相变材料产生的最大膨胀压力比纯石蜡相变产生的最大膨胀压力提高了25％,最大膨胀压力可达87.3 MPa.将石蜡—膨胀石墨复合相变材料用作驱动材料是切实可行的.     

氧化石墨-银复合物的微波辅助合成与表征

采用休谟法以鳞片状石墨粉为原料制备了氧化石墨,并用微波法使其与硝酸银复合,制得氧化石墨与银的复合物.采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量弥散X射线谱(EDS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等多种现代测试方法对石墨、氧化石墨、氧化石墨与银复合物的结构和组成进行了表征.结果表明,以微波辅助溶液混合法成功制得氧化石墨-银复合物.     

浮选柱精选细鳞片中碳石墨实验

依据鳞片石墨浮选特点,设计石墨浮选柱实验装置。以细鳞片中碳石墨为研究对象,通过正交实验考察循环压力、矿浆浓度、柱体高度、捕收剂用量四个主要影响因素,分析因素的显著性;通过单因素实验确定实验因素对浮选效果的影响程度。结果表明：在循环压力为0．04MPa、矿浆质量浓度为40g／L、柱体高度为1550mm、捕收剂用量为200g／t条件下,石墨精矿的品位最高,为94．190％;矿浆浓度对精矿品位的影响最为显著,循环压力对精矿产率的影响最为显著;石墨精矿品位随着矿浆浓度、循环压力和捕收剂用量的增加而减小,随着柱体高度的增加而增大。该研究为浮选柱分选石墨的实际应用提供了技术参考。