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。     

新源动力绿色能源倡导者与实践者

新源动力成立于2001年，是国内专业从事燃料电池产业化开发和推进燃料电池技术发展和商业化应用的股份制公司，以质子交换膜燃料电池及相关零部件的生产销售、样机的研制出售、承接国家科研开发任务，相关工程技术的开发、技术转让、技术培训、技术咨询和氢源技术产品研发等为主营业务。现有股东上汽集团、大连化物所、宜兴四通家电、长城电工、南都电源等。     

燃料电池关键材料与进展

 离子交换膜是燃料电池的重要部件,肩负着在电池内部传递离子,形成完整电池回路的作用。按照传导离子的种类,可以将其分为阳离子交换膜和阴离子交换膜,分别应用于质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池中。本文阐述了这2 类电池的研究进展和应用,提出了存在的主要问题,并着重介绍了常见阴离子交换膜及其合成方法和降解机理,对研究前景提出展望。     

电动汽车和相关电源材料的现状与前景

论述了电动汽车（EV）、电动汽车用镍氢电池、锂离子电池、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及相关材料的研发现状、产业化前景，指出以电动汽车代替燃油内燃机汽车，以氢能代替碳基燃料，是当前运输业的主要发展方向。     

两种不同质子交换膜燃料电池性能试验与分析

利用自主开发的100 kW级燃料电池测试平台,对2款车用质子交换膜燃料电池的极化特性曲线、电流密度以及单电池一致性等性能进行了测试,提出了一种评价单电池一致性的方法.研究结果表明,2款质子交换膜燃料电池发动机在上述性能指标上有较大差异;在车载使用条件下,工作压力较高的燃料电池具有更好的环境适应性.     

质子交换膜燃料电池启动策略

为了缩短质子交换膜燃料电池启动过程中氢气/空气界面存在的时间并限制电堆启动电压,通过实验研究直接启动、启动前氢气吹扫时间以及启动辅助负载对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性,在此基础上提出一种电堆启动时氢气吹扫阳极和启动辅助负载相结合的燃料系统启动控制策略。实验验证了该启动控制策略不仅能限制燃料电池启动时的高电压以及缩短燃料电池启动过程中电堆阳极侧氢气/空气界面的存在时间,还有利于提高单电池的电压均衡性,是一种有效的质子交换膜燃料电池启动控制策略。     

Ca2+对质子交换膜燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)长期运行过程中,其部件因损伤产生的杂质金属离子对燃料电池的电化学性能有重要影响。模拟PEMFC中Ca2+污染燃料电池工况,研究了Ca2+对PEMFC电化学性能的影响。实验结果表明:随着污染时间的增加,燃料电池性能逐渐衰减,当污染时间超过9 h,电池电压急剧降低;在高电流密度区(电流密度>400 mA/cm2),电压衰减最明显。在500 mA/cm2电流密度下恒电流放电2 h后,电压降低了41%。Ca2+的存在及其积累对质子交换膜燃料电池有明显的毒化作用。     

质子交换膜燃料电池关键技术的研发进展

质子交换膜燃料电池具有启动速度快、能量密度高及清洁环保等优点，可广泛应用于燃料电池汽车、固定式电站和移动型电源等领域。本文简要介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理，综述了PEMFC的发展简史及研究进展。探讨了PEMFC的应用情况。从催化剂和电解质等关键材料，膜电极的性能，燃料的安全性与实用性，以及电池的寿命等方面详细分析了PEMFC的主要技术问题，并进一步展望了PEMFC的发展前景。     

质子交换膜燃料电池电压仿真与分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有转换效率高、无污染、可靠性高等优点,适合作为汽车主要动力源,是新能源汽车领域研究热点.本文基于质子交换膜燃料电池工作机理,以经验模型为基础,建立质子交换膜燃料电池开路电压模型、三种电压损失模型、端电压动态模型.以影响其输出特性的电池工作温度和工作压力作为输入,利用Matlab/Sim...     

基于故障树模型的燃料电池安全性评价

安全性是质子交换膜燃料电池的重要指标,而燃料电池最大的安全问题是质子交换膜超压破裂造成火灾或爆炸。实验构建了5 kW氢空质子交换膜燃料电池发电系统,用故障树方法对电池堆系统发生膜破裂造成火灾或爆炸等事故进行了概率评价,质子交换膜超压破裂氢气体积分数达到4.1%发生氢气火灾或爆炸的频率是4.744×1-0 6次/a,评价结果表明这个风险是可以接受的,完全满足此实验系统安全性要求。此结果可以作为论证燃料电池系统安全性的依据之一。     

PEMFC在航空地面电源中的应用

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种不经过燃烧、直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置,具有能量转换效率高、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点。本文介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理与特点,探讨了质子交换膜燃料电池应用于航空地面电源的可行性,并对其应用安全性、可靠性、维修性进行了理论分析。     

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.     

车用燃料电池技术分析

近年来,随着科研技术人员对新能源汽车的不断研发,车用燃料电池技术也同时不断地更新换代,其目的就是提高车用燃料电池的质量,减少传统汽车燃料消耗所带来的环境污染。该文首先对广泛使用的几种车用电池在技术、优缺点方面进行了分析、比较。其次科学地分析了氢燃料电池的直排流通模式、死端模式,以及基于清洁能源的典型车用燃料系统——氢燃料电池氢气供应系统的工作原理和各项性能。通过对比,证明氢燃料电池氢气供应系统的安全性、可靠性及其在目前车用燃料电池方向上具有独特优势。最后该文对未来燃料电池的发展进行了展望。     

质子交换膜燃料电池三维气液两相流数值模拟

质子交换膜燃料电池液态水的生成和传输过程研究,是进行电池水管理的关键。该文基于多相混合流理论,建立了质子交换膜燃料电池三维气液两相流动与传热的数学模型。该模型不仅能模拟燃料电池内部反应气的流动、扩散和化学反应过程,还能模拟液态水的传输和相变过程。应用该模型模拟了电池内液态水的分布及其对燃料电池性能的影响,结果表明液态水主要分布在阴极侧,在大电流密度下,液态水阻碍了氧的扩散过程,导致电池性能下降。模拟结果与实验结果吻合较好。     

燃料电池的关键技术

 以燃料电池技术链为主线,叙述燃料电池关键材料与部件、电堆、系统存在的问题、发展现状与研究热点。关键材料包括催化剂、离子交换膜、气体扩散层;电堆关键部件包括膜电极组件、双极板等;系统部件包括空压机、增湿器、氢回流泵、氢瓶等。关键材料与部件的成本与耐久性是燃料电池汽车实现商业化的基础。中国燃料电池部分技术指标已经达到或超过全球同类商品的水平,需要鼓励产业大力投入,建立批量生产线,促进中国燃料电池技术进步。     

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.     

2019年氢燃料电池研发热点回眸

 从政府政策环境、企业行动、示范运行等方面回顾了2019年氢燃料电池汽车的热点;阐述了氢燃料电池催化剂、膜、膜电极、双极板、电堆的关键技术、研究成果及产品工程开发进展;提出了中国氢燃料电池发展建议。     

基于先进车辆模拟器的小功率氢电混合电动车混合度的仿真研究

为了同时满足小功率燃料电池氢电混合动力场地车的动力性和经济性要求．研究了燃料电池和蓄电池的功率匹配最优化问题．对氢氧质子交换膜燃料电池～铅酸蓄电池混合动力场地车动力系统的主要组成部件进行选型．采用先进车辆模拟器（advanced vehicle simulator,ADVISOR）。在FTP和ECE_EUDC工况下对若干组燃料电池一铅酸蓄电池的匹配方案进行仿真分析．以满足车辆动力性为基本前提．对比分析每种匹配方案的燃料经济性．得到燃料电池氢电混合动力场地车燃料电池和蓄电池的最佳功率匹配方案：燃料电池功率为23kW．蓄电池功率为13kW．     

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.     

质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移

在混合流动模型的基础上,建立了一个新的二维两相流模型来研究质子交换膜燃料电池内水分的传递规律和分布状态,在该模型中,催化剂层作为一个有厚度的实体包含在电极中.模型耦合了质子交换膜燃料电池电极中的流动方程.组分方程、催化剂层和质子交换膜中的电势和电流密度分布方程,可以应用在质子交换膜燃料电池的阴极,也可以使用在阳极.同时,模型还考虑了相变引起的液相和气相间的动量变化,重点模拟了水分在燃料电池的阴极、阳极和质子交换膜中的传递规律及其分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度、提高电流密度和降低电池温度都会使电池质子膜中的水分含量增大,质子传导率升高,也会使阴极中液态水含量增加,阴极浓差极化加剧.