HT-PEM燃料电池性能实验分析

目的研究电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池的性能影响.方法通过电化学工作站测试了HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,利用等效电路法分解得到HT-PEM燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度、氢气流量和空气流量对燃料电池的伏安特性、欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池性能有一定影响,温度升高和增大气体流量能够一定程度地提高高温质子交换膜燃料电池的性能.HT-PEM燃料电池的性能不会随着气体流量的增加而一直增加.结论升高温度降低了燃料电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗;氢气流量变化和空气流量变化对欧姆阻抗和法拉第阻抗没有明显影响.     

燃料中CO_2杂质对高温质子交换膜燃料电池性能的影响

目的研究燃料中添加不同浓度的CO2对高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池性能的影响.方法运用燃料电池测试系统对HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗特性进行测试,并采用等效电路分析获得了HT-PEM燃料电池的等效元件,分析了重整燃料H2中CO2含量对HT-PEM燃料电池伏安特性和交流阻抗特性的影响.结果氢燃料中的CO2对HT-PEM燃料电池有一定的毒化作用,主要体现在CO2吸附在催化剂表面,形成了Pt-CO键,降低了电池的开路电压,导致浓差极化加剧.如果通入纯氢气燃料,电池性能可恢复至95.3%水平.结论提高燃料中CO2的含量,燃料电池的法拉第阻抗增大,电池的性能降低;随着温度的升高,电池系统对CO2的容忍度降低;CO2对电池性能的影响可以得到恢复.     

质子交换膜厚度对全钒液流电池性能的影响

目的研究质子交换膜厚度对全钒液流电池充放电性能及交流阻抗的影响.方法选取4种不同厚度的质子交换膜Nafion117、Nafion115、Nafion212和Nafion211分别内置于电池单体,运用全钒液流电池测试系统对电池的伏安特性和交流阻抗特性进行测试分析.采用等效电路法,分析全钒液流电池的等效元件,获得电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗.结果在相同电解液浓度下,质子交换膜厚度的增加能延长电池的充放电时间;在膜厚度一定的情况下,增大电解液浓度,能增加电池充放电时间;随质子交换膜厚度的增加,交流阻抗图谱右移;增大质子交换膜厚度,可提高电池的欧姆阻抗.结论全钒液流电池等效电路由欧姆阻抗、正极法拉第阻抗、负极法拉第阻抗和正、负极电容组成;减小质子交换膜厚度能显著降低电池的欧姆阻抗,有利于提高电池的充放电性能.     

过度充电对全钒液流电池性能的影响

目的研究过度充电对全钒液流电池性能和使用寿命的影响.方法通过试验获得全钒液流电池的充放电特性和交流阻抗特性;采用扫描电镜获得过度充电后电池电极和质子交换膜表面特征;运用等效电路法获得过度充电后全钒液流电池内部阻抗等效元件和等效电路,分析过度充电对电池等效元件阻抗的影响;运用SEM图解释等效阻抗变化规律.结果过度充电后,钒液流电池交流阻抗图谱出现Warburg阻抗区,电池流场、电极石墨毡和质子交换膜均出现不同程度的腐蚀现象.结论过度充电后,电池内部电荷传递阻力和石墨毡内反应物、生成物的扩散阻力增大,等效欧姆阻抗增大,而对法拉第阻抗影响较小.     

PEM燃料电池阴极催化剂层特性

为了提高催化剂层的特性和PEM燃料电池的性能,加速它的推广和应用.给出了一个PEM燃料电池阴极传热传质的数学模型,模拟研究了阴极催化剂层中氧气体积分数、电流密度、阻抗和温度分布的规律.研究发现:模拟条件下,在阴极催化剂层中的传质中,质子传递过程是阴极性能的控制过程;沿着气体通道方向,催化剂层中的氧气浓度、电流密度、阻抗和温度均渐渐降低;沿着Y轴方向,氧气体积分数,阻抗和温度渐渐降低,而电流密度升高.研究结果对PEM燃料电池阴极结构优化和提高性能具有重要的参考作用.     

操作参数对PEMFC性能的影响

通过实验研究三通道蛇形非对称流场的质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行温度、气体加湿温度、空气流量、H2流量以及燃料电池工作压力等操作参数对PEMFC性能的影响。结果表明:燃料电池温度保持在333～343K,加湿温度与电池温度相同时,电池性能达到最佳状态;质子交换膜燃料电池中O2的还原反应是影响整个燃料电池放电性能的一个关键因素;工作压力为2.026×105Pa左右时电池的性能最佳。     

直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化

以新型阻醇材料Na2Ti3O7/Nafion复合膜为质子交换膜,利用热压法制备膜电极(MEA),对直接甲醇单电池进行测试.考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个参数对直接甲醇燃料电池极化曲线性能的影响.实验结果表明,电池温度对电池性能的影响较为明显,提高电池温度有利于得到较好的电池性能.甲醇浓度对电池性能影响也比较明显,较低甲醇浓度有利于提高电池性能.甲醇流速和空气流速对电池性能的影响较小,阴极加湿温度对电池性能几乎没有影响.通过分析优化,该直接甲醇燃料电池的电池性能最佳工作条件是在80℃情况下,低电流密度工作区采用较低浓度甲醇溶液,高电流密度工作区采用高浓度甲醇溶液.     

酸化剂中H_2SO_4含量对PBI燃料电池性能的影响

目的探究高温酸化时在酸化剂中加入不同含量的H2SO4对PBI膜和高温燃料电池电极的影响.方法质子交换膜是高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池的核心部件,对燃料电池的性能起到主导作用.笔者制备了酸化剂中掺杂不同量H2SO4的PBI膜,测试了高温PBI燃料电池的I-V特性和交流阻抗特性,对比了PBI膜表面SEM照片的差异,分析了高温PBI膜掺杂硫酸的含量和电池温度对高温燃料电池性能的影响.结果研究发现:高温PEM燃料电池的PBI膜在高温酸化时及高温燃料电池运行时,H2SO4的强氧化性起主导作用,破坏了PBI膜的内部结构,阻碍了质子的传递,对PBI膜和燃料电池电极均有损伤.结论酸化剂中掺杂强电解质强氧化性的H2SO4不利于高温PBI膜燃料电池性能的提高,虽然常温下经H2SO4处理后的PBI膜的电导率能够显著提高,但高温运行的PBI膜燃料电池的性能有明显下降.H2SO4的加入对PBI膜的电导率没有明显的提升,反而对高温燃料电池的性能有所抑制.掺杂强电解质H2SO4对提升电池性能是不合适的.     

质子交换膜燃料电池的建模与仿真分析

针对当前燃料电池模型复杂、准确度不高、不利于控制策略研究等问题,对质子交换膜燃料电池工作原理进行研究,对燃料电池进行数学描述。通过分析电池工作过程中影响输出的几个主要因素即电化学电动势、活化极化过电压、欧姆极化过电压、浓度极化过电压与双层电荷层作用,建立燃料电池数学模型。用实验测试数据和参数优化方法确定模型参数,并利用Matlab/Simulink仿真平台对质子交换膜燃料电池模型进行仿真分析。仿真结果表明:模型输出结果与实验结果相吻合,模型具有良好的稳态性能;模型输出能快速响应负载变化,其动态性能良好;此模型能真实反映质子交换膜燃料电池工作特性,能有效地用于燃料电池控制策略研究。     

Pt-SnO2/C电催化剂异型直接乙醇燃料电池的性能

以掺杂石墨粉的中间相碳微球(MCMB/G)烧结管为阴极支撑体,采用浸涂工艺分别制备了扩散层和催化层,通过在其外表面包裹Nafion 117膜制得管状异型阴极并组装成异型直接乙醇燃料电池,采用水热乙二醇制备了适用于直接乙醇燃料电池的阳极电催化剂,并通过XRD,TEM和EDS等技术对其进行了表征.采用线性循环伏安曲线、交流阻抗等测试手段,对Pt-SnO2/C电催化剂异型直接乙醇燃料电池进行了性能测试,并考察了温度、氧气流量等对电池极化性能的影响.结果表明:异型电池阻抗大于传统的平板电池,但其活化后电池阻抗明显下降;较高的氧气流量和较高的工作温度有利于提高电池性能;60℃条件下,Pt-SnO2/C电催化剂异型直接乙醇燃料电池功率密度达到8.5 mW·cm-2.     

阴极低铂载量催化剂直接甲醇燃料电池的交流阻抗谱

为了降低直接甲醇燃料电池(DM FC)的成本,研究了阴极低铂载量催化剂的DM FC的交流阻抗谱(E IS)。利用等效电路,考察温度、空气体积流量对DM FC单电池的反应动力学、传质以及欧姆阻抗等电极过程的影响。实验表明:膜阻抗、常相位角元件的电容、电荷转移电阻、以及甲醇氧化弛豫过程相关的低频电感和电阻随着工作温度的升高而呈规律性的变化;空气流量则对电荷转移电阻和低频电感的影响较为显著。     

燃料电池电堆停机吹扫及低温冷启动性能的试验研究

搭建了燃料电池电堆吹扫及低温冷启动测试系统,研究燃料电池停机吹扫电堆初始温度、吹扫时间、吹扫气体等因素对电堆欧姆阻值的影响,研究不同初始含水量对低温冷启动性能的影响.试验结果表明,初始温度越高,电堆欧姆阻值升高越快;相比于单侧气体吹扫,氢气和空气同时吹扫是燃料电池最优的气体吹扫方式;适当降低质子交换膜燃料电池初始含水量有利于减少启动时间,改善启动性能.     

石墨毡电极酸、热处理方法对全钒液流电池性能的影响

目的研究聚丙烯腈基(PAN)石墨毡电极的酸、热处理方法对全钒液流电池放电性能及交流阻抗的影响.方法先对石墨毡在不同酸、热条件下进行处理,然后对处理后的石墨毡电极进行循环伏安特性试验和SEM表面测试分析,最后再将处理后的石墨毡电极组装到全钒液流电池中,对电池进行性能试验,采用等效电路法对交流阻抗进行分析.结果酸化处理和热处理可以提高电池的性能,降低法拉第电阻阻值,使电化学反应变得容易.试验表明经过酸处理(98%H_2SO_4、5 h)和热处理(400℃、30 h)石墨毡电极性能较好.结论酸处理后的石墨毡电极表面含氧官能团数量增加,对电化学反应有催化作用;热处理后的石墨毡电极表面活化位置增多,有效比表面积增大,进而提高了钒电池的性能.     

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。     

复杂流道质子交换膜燃料电池单体的两相流模拟

为更真实地模拟质子交换膜燃料电池的工作性能,特别是电池内生成的水蒸气过饱和的情况,发展了一个简化的稳态的、非等温的三维两相流数学模型.模型考虑了相变过程对电池的温度场和传质过程以及电池性能的影响.应用模型对一个电极面积为3.12 cm×4 cm蛇型流道结构质子交换膜燃料电池进行了数值计算,得到了电池内复杂的流场、温度、局部电流密度和组分浓度等的多维空间分布.最后,分析了不同的阴极反应气加湿对电池性能所产生的影响.     

质子交换膜燃料电池欧姆阻抗的试验研究

为了解质子交换膜燃料电池(PEMFC)欧姆阻抗的影响因素,用断电法测出了不同工作温度、不同增湿条件、不同进气过量系数、不同工作压力下的欧姆阻抗。试验结果表明,PEMFC欧姆阻抗随工作温度的提高而减小,随进气湿度的增大而减小,受工作压力和进气过量系数的影响较小。欧姆阻抗的明显增大可作为PEMFC质子交换膜变干的判定依据。合理控制工作温度、进气湿度等参数,可以减少欧姆极化损失,提高PEMFC的工作效率。     

三种运行参数对PEMFC动态响应的数值分析

为了探究在电流阶跃变化中工作温度、相对湿度和背压等运行参数对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响,运用相对湿度和工作温度之间的耦合变化推导出了动态计算（DT）模型。该模型通过工作温度和相对湿度来阐述膜电极参数和PEMFC性能之间的特性关系,并分析在电流阶跃变化中这两种运行参数对质子交换膜（PEM）内水传递特性、输出电压和功率密度随时间变化的瞬态响应的差异。采用理论计算结合试验的方式,首先通过自定义函数（UDF）将DT模型导入到Fluent软件中进行计算并应用有限体积法进行求解;其次开展PEMFC动态负载性能测试,测量工作温度为50℃、60℃、70℃,背压为0、10 kPa,相对湿度为50%、75%、100%,同时改变电流负载（阶跃幅度为5 A）来实现PEMFC对电流阶跃动态响应的测试;最后通过极化曲线和I-P曲线对DT模型和试验数据进行比较分析。结果表明：实验数据与DT模型的仿真结果之间有很好的相关性;不对称加湿是影响功率密度的一个主导参数;阳极相对湿度决定了功率密度在发生阶跃电流后稳定运行的能力;PEM水含量与功率密度下冲幅度和响应时间有关。因此,工作温度为60℃、背压为10 kPa、阳极相对湿度为75%、阴极相对湿度为100%时,PEMFC的动态性能最佳。     

极寒环境下动力锂离子电池特性

针对极地无人机系统供电保障问题,为极地锂离子电池开发及电池管理技术研究提供依据,对12 A·h三元镍钴锰酸锂电池在极寒环境下的特性展开了实验研究.结果表明:在0℃以下,随着环境温度的降低,电池在不同放电倍率下的可用容量迅速减小,最大放电深度的衰减速率不断加快,欧姆内阻与极化内阻均显著增大且极化内阻的变化更为突出,开路电压明显降低;在低于-40℃的环境温度下,放电前对电池表面进行预热能显著改善电池放电性能,预热温度的变化不影响相同倍率放电时电池表面的平衡温度,同时采取预热与保温措施能够有效恢复电池的容量特性与功率特性.     

NH_3杂质对HT-PEM燃料电池性能的影响

目的研究氢燃料中存在NH3杂质时对高温质子交换膜燃料电池的影响.方法使用燃料电池测试系统测试了HT-PEM燃料电池的极化曲线和交流阻抗图谱,采用等效电路法获得了HT-PEM燃料电池的等效电路元件,并对被NH3毒化后的电池催化剂层进行了电子显微扫描,分析了氢燃料中NH3质量浓度、电池温度和使用时间对HT-PEM燃料电池性能的影响.结果氢燃料中NH3的存在改变了电池电极电化学反应界面的结构,阻碍了质子的传递,导致电池性能下降,并且被NH3毒化后HT-PEM燃料电池再通入纯净氢气后电池性能仍继续下降.结论氢燃料中的NH3对HT-PEM燃料电池有很强的毒化作用,主要体现在降低了电池电极电化学反应界面,同时,被NH3毒化后HT-PEM燃料电池性能很难恢复,这种损害是不可逆的.     

锌空燃料电池电化学阻抗等效电路模型

利用等效电路模型可表示锌空燃料电池的理化过程,用于描述和解析电化学阻抗谱中的Nyquist图,但已有模型未能综合考虑阴阳极的阻抗分布。该文为区分阴阳极阻抗,提出了一种可解析阴阳极阻抗的全电池电化学阻抗模型和忽略阳极影响的简化模型。在研究电池结构参数、性能衰减、储存条件、锌电极中导电剂、空气电极结构变化对阻抗影响的实验中,验证了模型的正确性,模型拟合实验数据时卡方检验的结果均小于0.01,并应用模型解析出的电阻值分析了阻抗变化的作用机理。该模型对金属空气电池的研究具有一定意义。