质子交换膜燃料电池的水热管理

对质子交换膜(PEM)燃料电池数学模型分别以一维、两维和三维的形式讨论,得出数学模型应向三维、非等温、两相流动的方向发展,逐步发展电堆模型;将现有的加湿方法分为外部加湿法、内部加湿法、自加湿法、直接加湿膜法和其他加湿法5类,论述了各种加湿方法的原理,并对其优缺点加以评述;介绍了质子交换膜燃料电池冷却系统的一般结构和原理。

质子交换膜燃料电池两维、两相流动模型

提出了考虑电池内部两相流动的质子交换膜燃料电池数学模型,模拟了阳极、阴极两侧的流道和扩散层中同时发生两相流动时电池内部的各种传递特性,并用实验数据验证了该模型的准确性。模拟结果显示,当电池阴极扩散层中有液态水存在时会大大降低膜中的局部电流密度;质子交换膜中水的净通量方向可正、可负,因此电池的增湿策略应根据不同的运行工况而不断变化。

交指型极板的质子交换膜燃料电池阴极模拟

介绍了采用交指型极板的质子交换膜 (PEM )燃料电池的工作原理 ,通过建立电池阴极数学模型揭示了电极内部的气体是通过强迫对流进行传递 ,指出这一传质机理能加快气体的传递 ,从而提高电化学反应速率 ;比较了采用交指型极板与常规极板的PEM燃料电池的局部电流密度和伏安曲线大小 ,指出交指型极板可提高电池的局部电流密度和极限电流密度 ,从而改善电池性能 ;最后指出增大电池进出口压差、减小气体扩散电极厚度以及增加极板流道个数都可以进一步改善采用交指型极板的PEM燃料电池的性能。

蓄冷率与冰蓄冷空调经济性诸因素的关系

建立了冰蓄冷空调系统经济性分析的数学模型,以一个实例详细分析了蓄冷率与冰蓄冷空调经济性诸因素的关系,提出了蓄冷率的选取范围.

冰蓄冷空调系统配置模式分析

介绍了冰蓄冷空调系统的各种配置模式,并且按机优先和冰优先两种工作模式,分别对串联系统和并联系统的工作特性进行了分析,据此提出一种理想的冰蓄冷空调系统模式及经济运行模式的原则.

千瓦级质子交换膜燃料电池电堆的实验研究

空泡率是汽液两相流动的基本参数之一,而已有过冷沸腾空泡率计算方法研究以高质量流速为主,且大量文献报道现有空泡率模型难以适用于低流速过冷沸腾工况。该文基于低流速过冷沸腾净蒸汽产生点(NVG)理论模型,进一步建立了计算过冷沸腾空泡率的分布拟合模型。在较宽广的压力、质量流速、热流密度和流道尺寸范围内将模型计算结果与现有空泡率实验数据进行了比较,低流速工况下该模型与实验数据符合良好,表明该模型可适用于低流速过冷沸腾工况。

光伏／燃料电池联合发电系统的建模和性能分析

为实现光伏发电系统连续稳定的电力供应,提出了一种光伏/燃料电池联合发电系统,该系统的主要元件包括光伏组件、燃料电池、电解池、压缩机、氢气罐和蓄电池等。建立了各元件的数学模型和系统成本模型,设计了能源管理策略协调系统的能源分配,采用高效的蓄电池满足负载短期需求,由寿命长、价格低的氢气罐长期存储大量能源。使用Matlab软件搭建了联合发电系统的仿真模型,并对系统成本和系统全年能源供需平衡的性能进行了分析。仿真结果表明,该光伏联合系统的经济性能优于光伏/蓄电池系统,可满足用户全年的负载需求,是大型电网的有力补充。

燃料电池用微通道反应器的研究现状

微通道反应器,是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构单元。它较常规反应器体积小一个数量级以上,安全性好,适用于汽车或移动电源;而且它可以利用现有的加油站和加气站直接进行能量补给,解决了通常难解决的燃料供给问题。重点介绍了它的结构和各个组成部分及相关的国内外研究现状。

固体氧化物燃料电池微型热电联供系统的动态建模与仿真

建立固体氧化物燃料电池微型热电联供系统的动态模型,并对平均电流密度扰动下该系统的动态行为进行仿真。系统中各部件的模型均是基于"节"和"控制体"的思想,通过应用摩尔数守恒和能量守恒建立。一些部件的分布参数特性和换热部件固体部分的热动态都在模型中得到考虑。仿真结果表明:部件对部件的影响是决定系统动态行为的重要因素;由于该系统利用催化燃烧器出来的热烟气为其上游的一些部件提供热能,因此系统的一些部件之间存在着相互影响;由于不同部件间热惯性的差异,系统变量的响应往往包含着快慢不同的动态过程;较大的换热面积造成空气预热器的热惯性较大,从而造成整个系统的动态响应时间都较长。研究工作有助于加深对固体氧化物燃料电池微型热电联供系统动态行为的认识,并为系统优化和控制设计打下基础。

10kW PEMFC动态系统建模与控制

以质子交换膜燃料电池(PEMFC)动态系统为研究对象。首先将质子交换膜燃料电池划分为氢气动态模型、空气动态模型、电化学电压模型和温度动态模型四部分建模;其次根据系统运行要求设计控制策略:氧气化学计量比前馈控制,阴极和阳极压力差PID控制和温度滑模控制;最后应用所建立的模型和控制策略对10 kW质子交换膜燃料电池进行仿真运行分析,结果证明所设计的系统能模拟PEMFC动态系统运行。

正交设计法优化PEMFC催化层的最佳配比

利用正交实验设计法优选PEMFC电极催化层制备的最佳条件.实验证实亲水电极(催化层中不含PTFE)性能优于疏水电极.在该工艺条件下,当Nafion的含量为1.4mg·cm-2,Pt含量为0.4mg·cm-2时,以常压的H2和空气分别作为燃料气和氧化剂,电池的最高功率可达到0.37W·cm-2.研究表明,提高Pt/C中的Pt含量将是提高催化剂性能的有效途径.

正交设计法确定PEMFC中催化层的最佳配比

利用正交实验设计法优选出质子交换膜燃料电池(PEMFC)电极催化层制备的最佳条件,即制备亲水电极。催化层中不含聚四氟乙烯(PTFE),当Nafion的含量为1.4mg·cm-2、Pt含量为0.4mg·cm-2,以常压的H2和空气分别作为燃料气和氧化剂,电池的最高功率可达到0.37W·cm-2。研究表明,提高Pt/C中的Pt含量将是提高催化剂性能的有效途径。

千瓦级PEMFC电堆的研制

使用表面改性的金属铝板做双极板,成功组装了含30个质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电堆.H2、空气反应气均采用外增湿,使用循环冷却水排出电堆产生的热量.分别使用Nafion 115膜和John-Matthy Pt/C作为电解质和催化剂,其中Pt载量为0.4 mg/cm2.电堆工作温度为室温至100℃,H2与空气工作压力比为0.20 MPa/0.22 MPa,电堆输出功率为1～1.3 kW,输出电流为40～80 A,输出电压为26～20 V,电极工作电流密度为200～375 mA/cm2,电堆能量转化效率为51%.

电极组分对质子交换膜燃料电池性能的影响

在疏水碳纸中加入聚四氟乙烯(PTFE)并增加其含量,实验表明,过多的PTFE的加入,降低了碳纸的电导率,阻塞了气体电极的孔隙,导致电池性能下降,20% PTFE的含量较为合适;在催化层中添加造孔剂,增大了空气中氧气和电极的接触面积,减小了扩散极化,提高了电池的性能,使电池在Pt载量为0.5 mg ·cm-2、常压氢气和空气的操作条件下,其功率密度达到了0.3 W·cm-2 。

1-10KW级质子交换膜燃料电池冷却系统的建模

通过对质子交换膜燃料电池冷却系统的分析,利用模糊控制理论,对1～10kW级的质子交换膜燃料电池冷却系统进行建模,并计算出输出决策矩阵.通过对输入空间进行线性变换.将可能的输入值变换到-3到+3这样的一个标准区间,最后,通过对输入空间内-3到3的整数取植进行了计算,得到了对应的输出。

开路电压工况下燃料电池膜电极耐久性研究

采用开路电压(OCV)工况研究了质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的耐久性,在OCV工况运行过程中,定期地通过极化曲线、电化学交流阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)、短路电阻测试等在线测试方法对膜电极性能进行分析。当OCV工况运行结束后,采用扫描电镜(SEM)、离子色谱对质子交换膜(PEM)厚度和阴、阳极废水进行分析。结果表明,在OCV工况下运行115h后,PEMFC的开路电压由1.013V下降到0.794V,最大功率密度由538.8mW/cm^2下降到196mW/cm^2;在线电化学测试结果表明,欧姆电阻先减小后增大,氢气渗透通量逐渐增大,短路电阻逐渐减小;离子色谱测试结果表明,阴极和阳极废水中都存在氟离子;SEM表征发现,PEM厚度减小;在OCV工况下,PEM发生了衰减,从而导致PEMFC开路电压下降和性能衰减。研究结果表明PEM是影响膜电极耐久性的重要因素。

用于PEMFC的天然气水蒸气制氢系统

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的应用要求,开发了一个包括天然气水蒸气重整、CO变换和变压吸附净化的制氢工艺过程,并着重对重整反应和变压吸附的操作条件进行了实验研究。考察了温度、空速和水碳比对重整反应的影响,得到适宜的工艺操作条件,实验结果表明:温度650℃、水碳比6、空速42h-1时,氢气含量为70.21%,甲烷转化率为77.41%;分析了温度、流速对变压吸附脱除CO效果的影响,结果表明:在0.2MPa、40℃和吸附、脱附时间120s的条件下,产品气中CO浓度接近于1×10-6,经过多次循环后产品气质量稳定,可以连续获得满足80W质子交换膜燃料电池要求的高纯度氢气。

PEMFC可视化单电池的性能差异研究

在一定的工作条件下,研究了常规单电池、阴极侧采用透明结构的单电池、阳极侧采用透明结构的单电池、阴阳极侧都采用透明结构的单电池的I-V性能和电化学阻抗谱;在此基础上,进一步研究了这四种单电池在不同湿度下的性能和阻抗的差异。结果表明,三种透明的可视化单电池的性能都低于常规单电池的性能且阻抗大于后者,阴极侧采用透明结构的单电池性能优于阳极侧采用透明结构单电池的性能,而阴阳极侧都采用透明结构单电池的性能最差,其原因可能是透明电池的石墨镂空板增加了电子传递的路径,从而增加了电阻,此外,由于透明电池的聚碳酸酯端板和石墨镂空板在电池装配时会发生变形,大大增加了石墨镂空板与气体扩散层的接触电阻。

燃料电池供氢系统研究进展

对燃料电池供氢系统的研究进展进行了综述,介绍了重整制氢方法、反应器类型以及富氢气体的各种净化技术。对比了蒸汽重整、部分氧化重整和自热重整3种制氢反应各自的特点,对不同反应器的研究结果及优缺点进行了分析。总结了富氢气体中CO的脱除工艺,包括选择性氧化、甲烷化、变压吸附和膜分离,其中CO选择性氧化相对其他方法更具优势。探讨了制氢过程中各种技术的特点和急需解决的问题,并对供氢系统的应用前景做了展望。

质子交换膜燃料电池可视化设计及其优化

基于常规PEMFC单电池的结构,采用实心聚碳酸酯端板和石墨镂空板的组合结构作为阴极的可视化流场,由于在可视化拍摄过程中实心聚碳酸酯端板内表面会发生雾化现象,影响可视化效果,为此,将实心聚碳酸酯端板设计为中空聚碳酸端板,通过在中空溶液腔内通入加热的乙二醇水溶液可以消除雾化现象的产生。然而,由于乙二醇水溶液在长时间运行过程中会释放出气泡,气泡聚集在中空溶液腔内,这也影响了可视化的效果,因此,进一步采用纯丙三醇液体作为循环液,在此基础上可视化拍摄效果清晰,电池性能保持不变。