高温质子交换膜燃料电池动态性能测试教学实验设计

该文结合科研热点,设计了具有创新性和研究性的“高温质子交换膜燃料电池动态性能测试实验”。实验研究了阳极流动和死端模式下高温质子交换膜燃料电池在阶跃电流条件下的动态响应。从实验理论基础、实验平台搭建、性能测试方法及内容、实验结果探讨分析等方面,展示了科学研究的全过程。该实验旨在培养和提升学生的实验素养、科研能力、创新能力和实践能力。

高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展

综述了近十几年来高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用进展,指出了此类电解质目前存在的亟待解决的两个问题:咪唑类离子液体毒化Pt基催化剂和复合膜中离子液体的长期稳定性。最后对高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的发展前景作了展望,即开发与Pt基催化剂相容的离子液体聚合物电解质以及预防复合膜内离子液体的流失,即提高高温质子交换膜燃料电池的性能及长期稳定性,最终提高高温燃料电池的寿命。

用于高温质子交换膜燃料电池的聚合物电解质膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池在降低燃料电池水热管理复杂性、催化剂中毒方面有明显优势;可改善电池阴阳两极尤其是阴极氧气还原反应的动力学特性,提高电池的效率。聚合物电解质膜作为关键材料之一,在高温时易失水导致质子传导率降低、机械强度和热稳定性不高等问题。本文基于磺酸、磷酸和离子液体等不同质子传递介质,对高温聚合物电解质膜进行综述,比较了各类聚合物电解质膜的优缺点及应用时存在的问题,着重探讨嵌段共聚物在高温聚合物电解质膜方面的潜在应用,指出离子液体的添加不但可作为质子载体,而且在构建嵌段聚合物结构方面可发挥"诱导剂"作用。提出通过分子设计可更好了解嵌段聚合物的空间构效关系,进而通过结构设计提高膜的质子传导性能和稳定性。

用于高温质子交换膜燃料电池研究的实验平台(英文)

实验是研究高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的最直接、有效的手段之一。该文基于LabView软件,研发了一个用于高温PEM燃料电池研究的实验平台,用于采集温度、压强、质量流量,以及气体化学计量数等有价值的数据。该平台设置了质量流量、时间、步长等参数的控制策略,这些策略对于高温PEM燃料电池的车用化是必要的。应用该平台,测量了高温PEM单片燃料电池及1kW燃料电池堆的极化曲线和电压损失,完成了不同的流量控制策略下的对比实验,以便改善高温质子交换膜燃料电池在稳态和动态过程中的性能。这些研究结果有助于进一步研究高温质子交换膜燃料电池。

磷酸掺杂的ab-PBI膜及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用

以3,4-二氨基苯甲酸为单体合成了ab-聚苯并咪唑. 研究了磷酸掺杂的该质子交换膜在80～200 ℃, 不同湿度以及不同酸掺杂量下的质子电导率. 该质子交换膜可作为燃料电池的膜电解质, 在常压不增湿的条件下, 可使电池运行温度达到200 ℃.

高温质子交换膜燃料电池研究进展

温度是质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作的重要条件之一。根据研究,燃料电池的性能随着温度的提高而提升。由于受限于质子膜、催化剂等材料的特性,目前应用的PEMFC一般工作于低温环境(80℃以下),但国内外的某些研究机构很早以前就对高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)开始了研究。介绍了HT-PEMFC的优点以及世界范围内目前的研究进展,对HT-PEMFC的未来发展趋势进行了总结。

高温质子交换膜燃料电池堆的建模与仿真

高温质子交换膜燃料电池相较于传统质子交换膜燃料电池具有更快的电化学动力性,简易的水热管理以及较强的耐CO能力等优点,因此已成为燃料电池研究工作的新热点。建立了高温质子交换膜燃料电池堆的模型,研究单电池数量、电流密度、阳极进气湿度等因素对电池堆性能的影响。研究表明,Z型结构电池堆内阳极气体质量流量分布比较一致,阴极气体质量流量分布呈中间低,两侧高的趋势。单电池数量、电流密度的增大会引起气体分布不均匀性的增强,进而使电池堆电压不均匀性增大;阳极进气湿度的变化主要影响电池欧姆损失。

高温质子交换膜燃料电池电堆端板拓扑优化

以实现高温质子交换膜燃料电池单电池内部接触压力的均匀性与电堆内单电池之间接触压力的一致性为目的,建立了一种具有非线性接触边界条件的高温质子交换膜燃料电池电堆端板的拓扑优化模型.通过研究在一定工作温度下装配荷载对电堆内部接触压力的影响,并综合考虑端板的质量与制造难度,构建了一种适用于燃料电池电堆的简化模型.从基于热力耦合的有限元法出发,对燃料电池端板进行以最小质量为目标、最大应力为约束的拓扑优化,并在综合考虑结构形状与拓扑结果的基础上建立端板的几何模型.结果表明,拓扑优化得到的端板结构使电堆内部具有更均匀的接触压力,因此拓扑优化可以为端板的结构设计提供理论参考.

高温质子交换膜燃料电池机理模型研究进展

建立高温质子交换膜燃料电池的机理模型可以加深对其内部传递现象和反应机理的认识,同时可以预测不同参数下燃料电池的性能,对优化电池的操作条件和结构参数等具有重要的指导意义。对现有的高温质子交换膜燃料电池机理模型进行了评述,分析了基于磷酸掺杂聚苯并咪唑膜(H3PO4/PBI)不同维数的稳态和动态模型及基于其他复合膜模型的优点和不足,并指出了高温质子交换膜燃料电池模型的研究方向。

高温质子交换膜燃料电池电堆稳定性分析与优化

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)应用前景广阔,但是目前HT-PEMFC电堆寿命较短。为此,本文对一个百瓦级空冷HT-PEMFC电堆的稳定性进行了研究。恒电流测试结果发现电堆中间位置单电池电压的衰减速率是两端的5~10倍。XRD、TEM测试结果表明电堆不同位置单电池催化剂Pt粒径变化较小,而极板吸酸量滴定与欧姆极化损失分析结果表明中间位置单电池磷酸流失速率是两端的2~3倍,导致其内阻是两端的5~8倍,膜中磷酸的流失迁移至电极导致氧增益电压比两端增加41~102mV。综上,电堆中间位置单电池磷酸流失过快是导致电堆寿命缩短的主要原因,而电堆温度分布不均则是磷酸流失过快的主要原因。因此,若要提高电堆的寿命,关键要从电堆磷酸与热的管理方面进行优化。

高温质子交换膜燃料电池系统可靠性分析

可靠性是影响高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)系统结构设计及实用化程度的重要指标之一。使用可靠性框图和采用马尔可夫模型的状态空间法分析了HT-PEMFC系统的可靠性,其中可靠性框图用于评估不可修复系统的可靠性,根据HT-PEMFC系统的可靠寿命及辅助系统各组件可靠性数据,评估了燃料处理器和燃料电池电堆的故障率及平均工作时间(MTTF)。采用马尔可夫模型的状态空间法用于评估可修复系统的可靠性,在1 000 h后系统可靠性为93.49%,3 000 h后系统可靠性保持稳定,约为92.20%,表明系统维护有利于提高系统的可靠性;此外若增加系统各组件的维护频率(修复率),可大幅提升系统在额定功率状态的概率和系统的可靠性。

造孔剂对高温质子交换膜燃料电池膜电极性能的影响

为提高以ab-PBI为质子交换膜的燃料电池膜电极的性能,以草酸铵、硝酸铵、硫酸铵为造孔剂制备了一系列膜电极。对不添加造孔剂以及添加各种造孔剂对高温膜燃料电池膜电极的电化学性能进行了研究。研究表明,以硝酸铵作为造孔剂,可在催化层中形成最佳的微孔结构,提高膜电极的有效电化学表面积,从而提高该燃料电池的发电性能。

高温质子交换膜燃料电池用Nafion/SiO_2复合膜研究进展

传统的质子交换膜燃料电池在高温下工作时,质子膜会因温度升高而发生脱水和膜/SiO2复合膜电阻升高的现象,这对提高燃料电池的工作性能是一个致命的阻碍.由于Nafion 具有较好的吸水和保水性能和较好的阻止甲醇渗透的能力,人们通过溶胶-凝胶法或重铸法/SiO2复合膜,并于高温(80～140℃)下应用在质子交换膜燃料电池和直接甲合成了Nafion /SiO2复合膜的制备方法、结构性能及研究情况,并分析了醇燃料电池中.简单介绍了Nafion 存在的问题和其广阔的应用前景./SiO2复合膜;燃料电池;高温;

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.

中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展

中高温质子交换膜燃料电池作为一种新型能量转换装置,具有环境友好、能量转换效率高、氢气纯度要求低等特点。催化剂作为电化学反应的核心,其性能极大影响着燃料电池的整体工作效率,目前针对中高温燃料电池催化剂的研究主要集中在电化学反应动力学较慢的阴极氧还原催化剂。磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PA-PBI)为常用的高温质子交换膜,由于磷酸与PBI的结合力差,在长时间运行过程中磷酸容易渗透到催化剂层,造成磷酸在铂基催化剂表面的强吸附导致催化剂中毒的问题,并且氧分子在磷酸中溶解度低。基于以上问题,本文综述了铂基催化剂、非铂催化剂和非金属催化剂在中高温质子交换膜燃料电池中的应用现状,重点阐述了表面修饰、合金化、载体效应等策略对催化剂在磷酸电解液中的氧还原反应动力学的影响。最后针对目前中高温质子交换燃料电池催化剂发展方向进行了探讨和展望。

Co-CoTiO_(3)/TiO_(2)的制备及其高温质子交换膜燃料电池性能

高温质子交换膜燃料电池相较于低温质子交换膜燃料电池具有更加简单的水热管理系统,另外,工作温度的提高不仅增强了电化学反应性能,而且提升了催化剂的抗CO中毒性能,是一种极具应用潜力的燃料电池。本工作先通过水热法合成了纳米棒状的TiO_(2),再在合成金属有机框架(ZIF-67)的过程中加入该纳米棒状的TiO_(2),最后在氮气气氛下煅烧,得到一系列不同Co含量的Co-CoTiO_(3)/TiO_(2)催化剂。采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等表征了催化剂的结构,在0.1 mol/L的KOH电解液中研究了催化剂的氧还原(ORR)性能。结果表明:含15 mmol(1 mmol TiO_(2)所含Co的量)Co的Co-CoTiO_(3)/TiO_(2)催化剂的ORR催化活性最好,半波电势可达0.84 V,起始电位为0.92 V,极限电流密度可达4 mA/cm^(2),接近同样测试条件下的20%Pt/C(其中Pt的质量占总催化剂的20%)的ORR催化活性。在高温质子交换膜燃料电池应用中,在180℃和40 mA/cm^(2)的条件下,最高功率密度为9 mW/cm^(2)。

基于LNG冷能利用的高温质子交换膜燃料电池多联供系统性能研究

提出了一种基于液化天然气(LNG)冷能利用的新型多联供系统,该新系统包括高温质子交换膜燃料电池、跨临界有机朗肯循环和液化天然气冷能利用子系统。建立了多联供系统的数学模型,分析了参数变化对系统性能的影响。研究结果表明:在本研究设计工况下,高温质子交换膜燃料电池系统和跨临界有机朗肯循环系统的发电效率分别为31.51%和23.45%;新型多联供系统总能利用效率为40.75%,?效率为31.93%;多联供系统?损最大的部件为高温质子交换膜燃料电池,达到了52.8%;多联供系统总能利用效率和?效率随着高温质子交换膜燃料电池工作温度的增加而增加,随着氢气质量流量的增加和跨临界有机朗肯循环低压的增加而减少。

高温质子交换膜燃料电池催化层孔尺度模拟

为了研究磷酸在高温质子交换膜燃料电池催化层中再分布对电极性能的影响,使用聚焦离子束电子扫描显微镜对自制的扩散电极成像,重构得到了三维的催化层几何模型;采用多弛豫时间格子玻尔兹曼模型对磷酸在催化层的迁移行为进行仿真,模拟得到递减型和准均匀型2种不同的磷酸分布形式;采用孔尺度模型求解不同条件下的电极传输性质。结果表明在磷酸含量较低时,准均匀型的磷酸分布具有稍优的电化学活性表面积和稍差的氧气和水蒸气有效扩散系数;在磷酸含量较高时,2种分布的电化学活性表面积相似,但是准均匀型分布具有更好的氧气和水蒸气有效扩散系数。

基于高温质子交换膜燃料电池和全钒液流电池的离网能源系统的配置优化

提出并分析了一种以高温质子交换膜燃料电池(high temperature proton exchange membrane fuel cell,HTPEMFC)为核心的能源系统,采用全钒液流电池(vanadium redox flow battery,VRFB)作为储能装置,弥补了系统在满足负载需求上的缺陷。分析了HT-PEMFC和VRFB的工作原理及输出性能,同时确定相关评估指标,探究系统最优配置,且分析了燃料电池负载率与运行效率的关系,将上游耗氢量也纳入考虑范围。探讨了以燃料电池为主供应电源的混合能源系统的配置优化,结果表明:在燃料电池负载率为22%时,总效率为41%,此时总年化成本取得最小值,相对于百分百负载的情况,系统投资成本上升了212.5%,但燃料成本下降了41.7%,系统整体增益明显。

磷酸掺杂的聚苯并咪唑复合膜在高温质子交换膜燃料电池中的应用(英文)

研制了聚苯并咪唑(PB I)的复合膜,复合膜中引入的组分包括无机质子导体磷酸氢锆(Zr(HPO4)2.nH2O,ZrP)和聚砜(PSF),以及磺化的酸型聚砜(SPSF(H))。热失重分析表明,复合膜PB I/ZrP/PSF和PB I/SPSF(H)的热稳定性可分别达400和230℃。磷酸掺杂的PB I复合膜在温度高达200℃的低湿度条件下,呈现出高质子电导率。以磷酸掺杂的PB I复合膜为电解质,在200℃常压不加湿的条件下,以氢气氧气为燃料气进行了单电池测试,其最大功率密度分别为0.34 W/cm2(PB I/ZrP/PSF(质量比80∶15∶5))和0.38 W/cm2(PB I/SPSF(0.43H))。