质子交换膜燃料电池性能及催化剂表征

设计并组装了燃料电池寿命测试系统，对单个质子交换膜燃料电池(单电池)进行了各种寿命测试．在单电池运行过程中记录电池的工作曲线及性能曲线．了解电池的性能变化及运行状况．通过XRD、TEM和SEM等手段对运行时间为200，500，700，l000和2000的三合一膜电极(MEA)中的阴、阳极催化剂分别进行了表征，获得催化剂晶态、表面形态及颗粒大小等变化信息．考察催化剂晶胞参数、颗粒大小等变化对电池寿命及性能的影响．     

操作参数耦合对质子交换膜燃料电池性能影响的模拟研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)不受卡诺循环限制,能量转换效率高,被认为是最有潜力的绿色能源转换装置之一。为了最大程度地发挥燃料电池运行时的潜能,对操作参数控制的优化和研究变得至关重要。使用ANSYS/FLUENT建立了一个采用多平行蛇形流道的三维质子交换膜单体模型,开展不同操作压力(101.325、202.65、303.975 kPa)、进口温度(300、330 K)和散热率[5、40、60 W/(m~2·K)]下的性能变化模拟计算,分析不同操作参数及各参数耦合对燃料电池性能的影响。研究结果表明:各操作参数对燃料电池电流密度和温度的变化和分布情况均有显著影响;燃料电池性能在一定程度上随着散热率、操作压力及其进口温度的增加而升高,随工作电压的增加而下降;当工作电压为0.9 V时,电压对燃料电池性能的影响占据支配地位;当电压为0.5 V、散热率为60 W/(m~2·K)、操作压力为303.975 kPa时,电流密度最大,达到0.81 A/m~2。     

环境条件对质子交换膜燃料电池性能的影响

研究了不同环境温度、湿度条件下小功率质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆的性能，结果表明：环境温度、湿度对PEMFC堆的性能有很大影响，随着相对湿度的增加，PEMFC堆的最大输出功率显著提高；当相对湿度小于30％或者当环境温度降至10℃(2以下时，PEMPC的性能严重下降。     

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。     

波形流道增强质子交换膜燃料电池性能

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能和耐久性受到燃料的输送和水管理等的限制,流道对PEMFC的质量传输起着至关重要的作用。该文设计了一个三维波形流道,建立了与实验条件一致的单根直流道模型,对比研究了直流道和波形流道对PEMFC性能提升的机理,分析了两种流道内氧气、液态水、速度以及电流密度分布。研究结果表明:在较高电流密度下,三维波形流道强化了狭窄通道部分氧气向催化层的传输,提高了氧气的供应,有效地去除了流道内的液态水,使峰值功率密度提高了10.16%。     

质子交换膜燃料电池膜电极再发电性能的研究

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极(MEA)的二次发电性能进行了研究.由单电池的电性能测试表明,二次使用时MEA的开路电压下降5.0%,最大电流密度和最大功率均降低约50.0%.SEM的测试结果显示,二次使用的MEA的表面有催化层脱落现象,减少了电极的活性反应区域,降低了其发电性能.     

WC对质子交换膜燃料电池催化剂性能的影响研究

研究了WC对Pt类质子交换膜燃料电池催化剂性能的影响,采用还原煅烧方法制备得到WC混合物,将其加入常规Pt/C催化剂中,利用循环伏安作为表征方法,将加入前后的催化性能进行比较.结果显示,随着WC混合物的加入,催化剂在酸性介质中的性能得到有效改善;在甲醇溶液中的氢氧催化反应的受抑制情况得到缓解,且交换电流密度增大.     

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.     

流道截面形状对质子交换膜燃料电池性能的影响

流道的截面形状对质子交换膜燃料电池的性能有较大影响.基于流体力学计算方法搭建了三维质子交换膜燃料电池单电池模型,通过比较不同流道横截面形状、调整流道与气体扩散层接触面积的方式对模型进行数值模拟分析.结果表明:三角形和圆形流道生成的电流密度较大,燕尾形流道电流密度分布均匀性最好;燕尾形和圆形流道有最佳的水气分布均匀性.     

影响车用质子交换膜燃料电池性能的诸因素分析及试验

通过对质子交换膜燃料电池进行理论建模和试验,分析了反应气体压力、电堆温度和增湿温度对燃料电池输出电压的影响,在PEMFC允许的工作参数范围内,这3个因素增加均可使电池输出电压上升.同时通过燃料电池系统的性能试验验证了仿真结果的正确性.燃料电池的高负荷持续工作特性测试表明其符合作为车用动力源高负载长时间运转的要求.测定了不同气体压力下燃料电池的效率,分析了燃料电池的输出功率与其效率之间的变化关系,讨论了燃料电池作为车用动力源时的能量效率,为车用质子交换膜燃料电池的使用与控制以便发挥其最佳性能提供参考.     

车用质子交换膜燃料电池

文章介绍了500 W质子交换膜燃料电池性能试验,考察了电池气体流道占反应面积的相对体积质量大小、电堆温度、反应气压力、反应气增湿温度及过量系数对电池电压的影响,测得各节单电池的电压分布规律。为适应车用动力源的需要,对电堆进行了大负荷长时间运行试验,测定电堆效率,分析其影响因素。     

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。     

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。     

质子交换膜燃料电池梯度扩散层水传输研究

为考察梯度扩散层排水能力,通过自制的测试装置测量了梯度扩散层液态水爆破压力和临界相饱和度;通过称重法测量了梯度扩散层液态水的残留量,并对梯度扩散层液态水过水流率和液态水残留量进行了理论计算.结果表明:与均匀扩散层比较,梯度扩散层能提高液态水排水量,降低液态水残留量.理论计算的两种结构梯度扩散层的液态水过水流率比均匀扩散层分别增加了152.82 %和171.85 %,液态水的残留量分别减少了23.73 %和35.42 %;由梯度扩散层组装的燃料电池比普通电池具有更好的性能.     

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。     

质子交换膜燃料电池电站系统的设计研究

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)电站系统的设计,根据华南理工大学50kW燃料电池电站的设计参数,计算了供气量,及空气和氢气加湿量,提出了一整套详细的包括供气系统,加湿系统,水热管理系统,安全控制系统在内的燃料电池电站设计方案。     

质子交换膜燃料电池膜电极关键材料研究进展

膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术部件,本文根据其构造综述了近几年国内外在膜材料、电极催化剂和气体扩散层方面的研究进展,包括Nafion改良膜、磺化聚芳烃（SPA/SPE）类膜、Pt改性催化剂、非贵金属催化剂以及气体扩散层。对各种材料进行了评价和比较,并指出今后应着眼于Nafion膜的简便改良方法、芳香烃聚合物共混膜的研制、含有Co、N等电极催化剂的研究以及具微孔层、表面较粗糙、疏水性较大的扩散层的研发。     

入口气组分对质子交换膜燃料电池柴油水蒸气重整制氢流程的影响

考察了Ni--Yb/γ--Al2O3(Ni 16%,Yb 5%,质量分数)催化剂,入口气中添加不同组分(CO2、H2和CH4)对柴油低/高温水蒸气重整过程中转化率及重整率的影响,以及添加CO2入口气对质子交换膜燃料电池柴油水蒸气重整制氢流程中后续的CO水气变换和深度去除CO过程的影响.结果表明:入口气中添加CO2或H2进一步提高了柴油在低温(400～500℃)水蒸气重整反应中的转化率(95%),能够为后续的高温(550～750℃)水蒸气重整过程提供CH4代替柴油作为重整原料,从而显著抑制了积碳.入口气中添加H2对高温水蒸气重整有抑制作用,添加CH4不利于提高柴油转化率.入口气中添加CO2时,气碳摩尔比约为0.54时柴油转化率最佳,但重整产物中CO含量会增加,因而后续CO水汽变换过程的空速需降低以便保证CO去除率,添加CO2对最后深度去除CO过程(两段选择甲烷化法)无明显影响.     

Performance improvement for air-cooled open-cathode proton exchange membrane fuel cell with different design parameters of the gas diffusion layer

Air-cooled open-cathode LTPEMFC (AO-LTPEMFC) has been developed as a new power source for the portable power supply. The effect of the gas diffusion layer (GDL) on AO-LTPEMFC operation in challenging ambient air conditions was investigated in the present study. The effect of the content of polytetrafluoroethylene (PTFE) on the substrate layer and microporous layer (MPL), the thickness of GDL and the pulse width modulation (PWM) of the fan on cell performance as well as the cathode outlet surface temperature distribution were investigated. The polarization curves, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and dynamic voltage test were used to correlate the structural characteristics of GDL with heat dissipation, oxygen transport and water management in AO-LTPEMFC. The results showed that GDL with appropriate PTFE content in the substrate layer and MPL could significantly optimize cell performance. In addition, the thickness of GDL also had a certain impact on the mass and heat transfer of the fuel cell, while the water management in GDL was affected by PWM of the fan, simultaneously. Combined with the practice process, the optimum values of the substrate layer PTFE content, MPL layer PTFE content and thickness of GDL were identified to be 10%, 40%, and 200 μm, respectively.