燃料电池氢气流量控制系统变负载匹配设计与仿真

针对车载质子交换膜燃料电池供氢系统负载工况多变时的氢气流量控制问题,提出一种基于比例减压阀与流量控制阀的氢气流量负载匹配控制系统架构与方法。建立了从高压储氢瓶至燃料电池堆的供氢系统整体模型,基于该模型设计了比例减压阀、流量控制阀与氢气循环泵的控制策略,并就某一型号电堆的变负载工况对系统模型与控制策略进行仿真验证。结果表明:电堆阳极压力可快速跟踪给定压力,响应时间约2~3s;氢气流量可适应负载变化需求,其瞬时超调量与压力响应速度成正相关;稳态时氢气利用率维持在95%以上,供氢过量比维持在1.27以上,供气氮含量维持在5%以下,满足电堆性能需求。

客车用燃料电池发动机耐久性研究

燃料电池发动机的耐久性是目前燃料电池汽车应用的关键技术问题之一。通过对客车动力平台用燃料电池发动机在实际道路运行数据的分析,以及燃料电池单堆在实验室条件下的耐久性测试结果的对比,研究目前燃料电池发动机的耐久性。新源动力开发的燃料电池发动机在客车实际运行条件下累计达到1500h,客车行驶里程累计20000km,在常用工况点(120A)性能衰减速度45μV/h,总体衰减不到7%;另一方面,实验室条件下进行单电堆1000h动态寿命考核,电堆表现出良好的耐久性,性能衰减速度为12μV/h。通过对两项结果的对比分析,认为燃料电池发动机中支持系统能力不足是其性能下降速度相对较快的重要原因,通过对支持系统能力的优化提高,可以提升燃料电池发动机的耐久性。

碳化钨用作质子交换膜燃料电池催化剂载体的抗氧化性能

采用还原碳化法制备了碳化钨样品,并用原位还原法担载Pt粒子得到Pt/WxCy催化剂.利用计时电流技术对Pt/WxCy和常规Pt/C催化剂进行氧化处理,并用循环伏安法测试了氧化前后两种催化剂的电化学活性面积.将两种催化剂制成单电池,对比研究了其氧化后的性能衰减.结果表明,Pt/WxCy催化剂制成的单电池抗氧化能力显著高于普通Pt/C制成的单电池.

Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用不同厚度Nafion膜 (Nafion 117,115 ,1135 ,112和 10 1)组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,通过测试电池极化曲线 (U/I) ,研究Nafion膜厚度对PEMFC工作性能、氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 ,通过线性回归分析不同厚度Nafion膜组装PEMFC的内阻计算了Nafion膜材料的电导率。实验结果表明 :( 1)降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻 ,从而有利于提高PEMFC的工作性能 ;( 2 )随着膜厚度的降低 ,U0 值有降低的趋势 ,Tafel斜率b值变化不明显 ;( 3)厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 ,其主要原因是质子传质极化引起的 ;( 4 ) 80℃时Nafion膜材料的电导率约为 0 .0 77Ω-1·cm-1。

催化材料对病毒的吸附和灭活作用及对哺乳动物细胞的毒性

提出了以吸附和催化原理灭活病毒的设想 ,旨在开发出对病毒有过滤、吸附及灭活作用的高效非特异性催化材料 ,应用于各种防护设施 ,有效控制非典型肺炎 (SARS)的传播 .采用与SARS病毒相似的副流感病毒作为模拟对象 ,进行了吸附及灭活该病毒的催化材料研究 ,并考察了催化材料对哺乳动物细胞的毒性 .结果表明 ,病毒气溶胶的阻留及吸附结果与基于DNA吸附的色谱分析结果相一致 ;部分材料可以强烈地吸附病毒 ( 10 0 % ) ,甚至在强烈振荡下并洗脱至第 3次 ,病毒也不能脱附 ;一些材料不仅可以吸附病毒 ,而且强烈振荡后的洗脱液虽然表现出一定的血凝效价 ,但接种鸡胚后 ,病毒并不增殖 ,说明材料具有明显的催化病毒灭活性能 ;对细胞毒性极低的材料可以用在与人体接触的防护材料和设施中 .筛选出的性能优异的催化材料 。

国产质子交换膜燃料电池关键材料及部件的电池组性能

基于质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)技术的实际应用要求,针对其国产关键材料和部件(包括电催化剂、质子交换膜、炭纸、双极板)进行性能表征、电池组制造工艺开发和电池组应用性能研究,结果表明:国产炭纸、复合质子交换膜、复合催化剂以及薄型不锈钢双极板无论是在基本性能还是在电池组应用方面都达到了国外同类产品的水平,能够满足车用燃料电池发动机的要求。目前,复合质子交换膜产品已实现批量生产,炭纸和复合催化剂已具备批量制造能力,薄型不锈钢双极板的批量制造工艺和设备已进入开发阶段,采用这些国产材料和部件组装的PEMFC车用发动机正在进行实际应用考核。初步预计:通过这些国产关键材料和部件的应用,可以将PEMFC的材料成本降低50%以上,同时还可以大幅度提高电池性能,为推进我国燃料电池产品的实际应用奠定基础。

PEMFC薄层金属双极板研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件,占据电池组重量和成本的绝大部分。本文对铁基合金、镍基合金和铝、钛等轻金属三大类薄层金属板及其表面改性方法进行了详细评述,在此基础上提出了导电化合物和电化学方法对薄层不锈钢改性是今后薄层金属双极板的发展方向。

鼓泡塔结晶器中的晶层生长

结合未充分发展弹状流的传递特征和晶层内不稳定导热 ,提出了鼓泡塔结晶器管内晶层生长的时间级联模型 ,与实验值吻合良好 .特定操作条件下 ,随弹状泡的到来和离去 ,结晶界面可发生结晶 -部分重熔 .

阳极H2S杂质气体对PEMFC性能影响的研究

研究了燃料气（H2）中的H2S对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响，结果表明心S对电池性能的影响取决于燃料气中H2S的浓度、电池操作温度和电流密度，且这种影响是随时间累积的，最终都会造成电池性能的大幅衰减。使用纯净氢气并不能恢复中毒电池的性能，但通过多次循环伏安（CV）扫描可以完全恢复。同时，根据CV研究认为H2S会强烈吸附在Pt催化剂表面，随着扫描电位的升高，吸附物被氧化可能生成SO3或SO4^2-。通过电化学阻抗（EIS）的方法得到了H2＋50ppm H2S／H2半电池体系下的阻抗谱，结果表明由于H2S吸附造成H2的吸附困难。从而导致在三相界面上的电化学反应所涉厦的电荷转移阻抗增加。

PEMFC 0℃以下保存与启动研究进展

针对在低于0℃的环境中,质子交换膜燃料电池中的结冰问题,提出了燃料电池0℃以下保存和启动的技术难题。简述了0℃以下质子交换膜燃料电池中水结冰对质子交换膜、催化层、扩散层等电池材料与部件的影响,并对国内外燃料电池0℃以下保存和启动策略研究进展作了简单介绍,概述了保持电池内部温度大于0℃、有辅助装置的0℃以下保存和启动以及无辅助装置的0℃以下完全自启动三种解决办法,提出了在材料研究的基础上展开电堆启动策略的研究,实现电堆0℃以下自启动。

聚苯胺改性钢在模拟PEMFC环境下的电化学行为

利用电化学方法沉积纳米导电聚苯胺膜对质子交换膜燃料电池(PEMFC)用薄层金属双极板改性,并对改性双极板在模拟PEMFC阳极环境下的电化学性能进行了测试。结果表明,纳米聚苯胺膜层能使1Cr18Ni9Ti不锈钢在模拟腐蚀液中的腐蚀电位由-350mV提高到250mV。在模拟阳极操作电位下,经10h恒电位极化没有观察到膜层的降解和脱落。纳米导电聚苯胺膜层能显著提高不锈钢在模拟电池环境下的耐蚀性而不影响其导电性,进一步提高导电聚合物涂层性能和评价其长期效果还需进行深入的研究。

无外增湿操作质子交换膜燃料电池

采用Nafion112膜组装 5cm2 活性面积质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,在无外增湿反应气体条件下试验了氢气和氧气并流和逆流时电池的工作性能。实验结果发现 :气体并流时 ,电池的最佳工作温度是 6 0℃ ;气体逆流时 ,电池可以在 80℃稳定工作 ,且性能与外增湿条件下的电池性能相比无明显下降。将PEMFC的活性面积放大到 14 0cm2 ,电池仍可以在气体逆流、80℃和无外增湿条件下稳定工作。

PEMFC在0℃以下环境启动的研究

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)0℃以下环境启动进行了研究。考察了-10℃保存对电池性能的影响。通过极化曲线、电化学阻抗(EIS)、循环伏安(CV)和渗氢电流等方法,考察了电池在-5℃经过7次启动后的性能变化,并通过对不同启动温度的孔结构测量,考察了膜电极(MEA)的微观变化。最后得出结论:-5℃启动对PEMFC结构及性能影响很小,但-10℃自启动对PEMFC有着很大程度的损坏。

Pt/C催化剂的制备与评价

采用浸渍法和离子交换法制备了低担量的Pt/C催化剂,并利用透射电子显微镜(TEM)、循环伏安(CV)等方法对催化剂进行了表征。研究结果表明:离子交换法制备的Pt/C催化剂Pt颗粒的粒径仅为1.5～2.5nm,小于浸渍法制备的催化剂中Pt颗粒的粒径(3～4.5nm),从而有效地增大铂的活性表面积。将两种方法制备的催化剂应用于PEMFC中,在相同的操作条件下,离子交换法制备的催化剂性能要优越于浸渍法制备的催化剂。

垂直短管内弹状泡上升时壁面传递

采用电化学方法对短管内弹状泡上升时壁面传递进行了瞬时测量 ,并与充分发展弹状流动力模型计算结果进行了比较 ,表明该过程是没有充分发展的弹状流动 ;壁面剪应力与Sherwood数均在弹状泡到来时达到最小 ,而在弹状泡尾部达到最大 .弹泡周围液膜的壁面剪应力和Sherwood数与文献理论值较吻合 .对边界层分布的分析表明 ,过冲液膜对液弹段的壁面剪应力影响显著 ,对壁面传质的影响可忽略 .

质子交换膜燃料电池的发展现状

简要叙述了质子交换膜燃料电池的发展历史 ,介绍了高效、新型电催化剂、新型质子交换膜、新型双极板与流场的研究、应用、开发等关键技术 。

铝合金表面处理新工艺

在恒定电流密度下对铝合金进行阳极氧化处理,所得到的氧化膜比采用恒定电压阳极氧化工艺更加致密;而后在氧化膜上涂敷一层双酚A型环氧树脂,并于200℃-230℃条件下长时间加热固化封闭.所得到的膜层,电绝缘性能良好,耐腐蚀性能较其他传统封闭工艺显著增强.

质子交换膜燃料电池新型抗CO阳极结构

质子交换膜燃料电池(PEMFC)广泛采用重整气为燃料,其存在的主要问题是重整气中含有一定浓度的CO(5×10-5～10-2),CO在Pt表面具有强烈的吸附作用,使电催化剂“中毒”。通过对提高质子交换膜燃料电池抗CO问题进行研究,在阳极扩散层流场侧担载催化剂(Pt、PtRu)的方法对电极进行修饰,在注入较少量氧化剂(体积百分比为2%的空气)的条件下使电池抗CO性能显著增强,且可以避免电极局部温度过高及可能带来的安全性问题。

轿车用燃料电池发动机示范应用稳定性

通过360h的实验室动态运行实验,对30台轿车用燃料电池发动机稳定性进行了验证考核,预计寿命可达到3600h(20%性能损失)。30辆车累计运行里程超过120 000km,其中3#车单车运行里程达到15 000km(含世博后运行)。对3#车发动机示范运行过程中的性能稳定性进行了数据分析,对照实验室稳定性考核的实验结果,发现发动机在实际道路工况下的稳定性低于实验室动态运行条件。通过2种工况的对比分析,发现强动态特性及增湿系统功能在实际道路工况下的降低是燃料电池发动机性能稳定性降低的主要原因。

车用PEM燃料电池堆绝缘电阻的实验研究

电动汽车应用的燃料电池发动机,一般具有100～600V的直流电源电压。应当对其绝缘性能进行相应的试验研究及在线监测,确保符合电动汽车(EV)的电气安全要求。我们利用绝缘电阻在线监视仪在线测量燃料电池发动机中质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆的绝缘电阻,研究各种条件下(如:燃料电池电流输出、操作温度等)燃料电池绝缘电阻的变化规律,为提高和改善电动汽车用燃料电池的绝缘性能提供参考。