中温质子交换膜燃料电池及电堆性能研究

考察了Nafion212和山东东岳集团提供的短支链,低EW值的全氟磺酸膜(PFSA)质子传导率,并制备MEA,分别在75、85℃以及95℃三个温度条件下进行了单电池测试。测试结果表明:在95℃温度条件下,山东东岳集团提供的PFSA性能优于Nafion212膜,因此选取前者提供的质子交换膜制备5片MEA组装成100 W电堆,并在80℃和95℃条件下对电堆进行性能测试和抗CO测试,结果表明:在不同温度条件下阳极进气采取增湿时电堆性能大大优于未增湿时电堆性能,提高操作温度可以使CO耐受性得到很大提升。

中温质子交换膜燃料电池系统设计与实验

为了测试中温质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,基于某中温PEMFC电堆,为其设计辅助系统,搭建试验台架进行试验研究。针对该中温PEMFC系统进行了冷态、热态启动测试,阶跃加载测试,稳态特性测试以及负压环境下的性能测试。结果表明,该燃料电池系统在长时间持续运行时能够保持较好的稳定性;在一定温度范围内,燃料电池的性能能够随着工作温度的上升而提高。对长时间运行后燃料电池性能下降的原因进行了分析。

磁控溅射NiCrCN涂层在质子交换膜燃料电池阴极环境中的腐蚀行为

采用非平衡磁控溅射技术在316L不锈钢表面沉积NiCrCN涂层,研究不同铬靶电流(2,4,6 A)下涂层的微观形貌以及在模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极环境(0.5 mol·L^(-1) H_(2) SO_(4)+2 mg·L^(-1) HF,空气鼓入,70℃)中的耐腐蚀性能。结果表明:制备的NiCrCN涂层均由金属镍、CrN、Cr_(2) N、Cr_(7) C_(3)等相组成;4 A铬靶电流下制备的涂层表面光滑平整且结构致密,而2,6 A铬靶电流下制备的涂层中出现明显的柱状晶结构。在模拟PEMFC阴极环境中恒电位0.6 V极化以及高电位1.0 V循环极化后,随着铬靶电流的增大,涂层的腐蚀电流密度先减小后增大,4 A铬靶电流下制备涂层的腐蚀电流密度最小,恒电位极化曲线更加平稳,恒电位极化时溶解在腐蚀溶液中的金属离子质量浓度最小,表面腐蚀程度最轻;该涂层在静止浸泡14 d后的电荷转移电阻始终比316L不锈钢高1个数量级。在PEMFC正常工作、快速启动/关闭和长期静止条件下服役的最佳NiCrCN涂层为4 A铬靶电流下制备的涂层。

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。

不同温湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响

为研究不同温湿度对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)性能的影响,提出了一个温湿度-电流(temperature and relative humidity-current,TRH-C)模型。该模型纳入阴阳极流道的水流量和膜水含量,揭示了电流阶跃变化条件下温湿度对电流密度分布和膜水含量分布的影响规律。根据实验单电池真实的流道构型,建立了简化的PEMFC几何模型并划分计算网格,将TRH-C模型耦合至多物理场计算软件COMSOL中;建立了PEMFC测试平台,对不同温湿度工况下的PEMFC进行了测试,PEMFC的运行温度为65℃和70℃、进气湿度为50%和75%;分析讨论了不同工况下的极化曲线、膜电流密度分布和膜水含量分布云图。研究结果显示:TRH-C模型对PEMFC输出性能的预测较为精准,其对电压和功率密度的相对误差在运行温度为70℃、进气湿度为50%、电流密度为0.018 A/cm2时最大,最大值分别为7.306%和8.837%;提升运行温度和进气湿度均有助于改善PEMFC的性能,运行温度升高,膜电流密度分布均匀性波动较小,膜水含量有轻微降低;进气湿度升高,膜电流密度分布更均匀,膜水含量升高。研究为优化进气策略控制以及提高输出性能提供了新的理论方法。

Fe/N/C材料在质子交换膜燃料电池中阴极催化剂的研究进展

从ORR反应的机理出发,结合Fe/N/C材料的制备方式,从活性位点角度分析了Fe/N/C材料高效氧还原电催化的机制,并针对在高性能Fe/N/C材料开发过程中存在的各种稳定性问题进行阐述。对于Fe/N/C催化剂在燃料电池中的应用前景提出建议和展望,为今后Fe/N/C材料的发展提供了参考。

质子交换膜燃料电池均温板散热特性的数值分析

以面向质子交换膜燃料电池电堆散热的超薄均温板为研究对象,用多孔介质传热模型、层流模型和Brinkman方程构建三维稳态数值模型,通过质量守恒确定气液界面的相变传质,研究在吸液芯饱和充液的常规工况下均温板的稳态特性。结果表明:超薄结构以及支撑柱的存在使内部压降较大;随着冷凝段对流换热系数的增大,均温性变差,内部压降也显著增大;随着热流密度的增大,温差先增大后减小,热阻持续下降;孔隙率的变化对平衡终态影响较小;渗透率的增大将极大的降低吸液芯内的液体压降,有利于相变循环。

光腔衰荡光谱法测定质子交换膜燃料电池用氢气中的痕量氨

氨是质子交换膜燃料电池用氢气杂质控制中的一项重要指标,但现行检测方法存在检测限高或前处理繁琐等问题。为提升检测灵敏度和效率,应用光腔衰荡光谱技术对质子交换膜燃料电池用氢气中痕量氨进行测定。实验结果表明:光腔衰荡光谱法的测定结果受管路死体积及测试压力影响较小;光腔衰荡光谱法的平衡时间受管路死体积及测试流量影响较大。在氨摩尔分数0.01~10.20μmol/mol范围内该方法具有良好的准确性,不受质子交换膜燃料电池用氢气中水、硫化氢、一氧化碳等杂质的干扰,是一种操作简便、灵敏度高、准确性好的测试方法,对完善燃料电池车用氢气质量管理体系具有一定意义。

质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

质子交换膜燃料电池多物理场建模及模型参数敏感性分析

受限于外部运行工况及内部多物理场参数的耦合作用机制,质子交换膜燃料电池的精确机理建模成为其研发和应用的瓶颈。该文通过探究燃料电池内部“电-热-流”多场耦合关系,构建准一维电堆动态模型,并基于单参数敏感性和多参数敏感性分析,得到不同模型参数的敏感度指标,完成了建模中部分关键参数的权重分析。为验证模型精度及耦合参数变动对输出特性的影响,在搭建Ballard NEXA 1.2 kW燃料电池测试平台的基础上开展变载及参数变动实验。结果表明,所构建的模型能够较为精确的模拟电堆特性,且对称因子、活化面积和压力系数的变动对电堆输出的影响较大。结果可为燃料电池电堆的测试及改型提供理论基础,并揭示电堆故障及老化过程中主要参数的衰退变化趋势。

全氟质子交换膜在燃料电池中的寿命测试与性能研究

燃料电池的寿命是制约其商业化推广的主要瓶颈之一,其中核心材料质子交换膜的寿命问题是主要的技术难点.为了研究国产质子交换膜在燃料电池中的性能与寿命表现,将国产质子膜和国外商用质子膜2种质子交换膜制备的膜电极采用穿插组装方式,装配成20片单电池组成的电堆,并在模拟车载运行工况条件下进行了6000 h的寿命测试.通过分析不同工作电流条件下的电压、单电池电压分布和极化曲线随时间的变化来考察电池的性能衰减情况,同时对燃料电池寿命测试前后的敏感性、阻抗、电化学活性面积和透氢电流密度等性能进行分析,并采用红外测温和扫描电镜对寿命测试前后的质子交换膜进行表征,进一步阐明电堆性能衰减的机理.结果表明,经过6000 h的寿命循环测试,国产质子膜在额定电流密度点的极化性能衰减率不超过4%,达到了燃料电池商业化的技术要求.

质子交换膜燃料电池中碳纸微孔层设计的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种极具潜力的电化学装置,具有广泛的应用前景,但有效的水管理方法还需探索。不合适的水负荷会引起各种问题,包括材料的降解和反应物传质受限等,损害电池的长期耐用性。在气体扩散层(GDL)中引入微孔层(MPL)是改善水管理能力和性能的有效方式。本文综述了以碳纸为大孔底物,近年来MPL结构和材料设计方面的研究进展,展望MPL的未来研究方向,对开展提高电池性能的研究具有重要意义。

石墨化温度对质子交换膜燃料电池用碳纸性能的影响

以聚丙烯腈碳纤维和聚乙烯醇为原料,将湿法造纸抄造的碳纸原纸用酚醛树脂浸渍热压固化后进行碳化石墨化,制备了石墨化温度不同的燃料电池用碳纸样品,分析了碳纸的拉伸强度、透气性、水平电阻率等性能指标,并通过X射线衍射仪分析了石墨化温度不同的碳纸样品的石墨结构,探究了石墨化温度对燃料电池用碳纸性能的影响,确定了实验条件下碳纸性能较优且成本较低的最佳石墨化温度。实验结果表明:在2000~2800℃阶段,2400℃条件下制备的碳纸综合性能最佳,比2800℃制备的碳纸可节省电力能源;石墨化温度为2400℃时,碳纸的拉伸强度为22.9MPa、水平电阻率为3.935mΩ·cm、石墨化度为68.68%。

基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

船用质子交换膜燃料电池活化过程中的阻抗分析

燃料电池是船舶动力装置电动化的理想选择,长期静置的燃料电池在重新投入使用前必须进行活化。很少有借助阻抗定量分析燃料电池活化过程中内部行为的研究,本文通过有效的等效电路模型分析了逐步加载活化过程中电池内各部分的阻抗。发现相关结论:传荷电阻占主导;阻抗谱上高频阻抗逐渐减小,由2.37 mΩ线性减小到1.66 mΩ,对应膜内磺酸基团氢化、质子电导率增大的过程;而低频弧半径则先减小后增大,五个电流段传荷电阻减小幅度分别为37%、13%、-27%、-57%,说明前期反应能垒逐渐降低,而后期则由于电流增大及产水导致界面气体浓度减小。

基于金字塔池化网络的质子交换膜燃料电池气体扩散层组分推理方法

针对质子交换膜燃料电池气体扩散层(gas diffusion layer composition,GDL)形貌划分与制备工艺改进问题,提出了一种基于金字塔池化网络(pyramid scene parsing network,PSPNet)与多层感知器(multi-layer perception,MLP)的气体扩散层组分识别与比例推理方法:首先将带标签的气体扩散层扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图片输入神经网络,得到特征图;得到的图像特征层进入金字塔池化模块后,获取SEM图像的深层和浅层特征;随后将深层和浅层特征图层融合输入全卷积网络(fully convolutional network,FCN)模块,得到预测图像;最后统计各个组分上的像素点比例,通过MLP完成组分比例推理。结果表明:所提方法组分识别像素准确率达81.24%;在5%偏差范围内,比例推理准确率为88.89%。该方法解决了气体扩散层多组分无法区分、比例无法获知的问题,可有效应用于气体扩散层的质检、数值重构以及制备工艺改进。

微电子温度传感器技术测量质子交换膜燃料电池内部温度分布的研究

温度是影响燃料电池性能的重要指标,有效测量燃料电池内部的温度分布一直是燃料电池研究的难点。本研究调查了微电子温度传感器这一技术方案在质子交换膜燃料电池内部的应用。传感器为以聚酰亚胺柔性材料为基底的微型电阻。先在温度环境箱内标定好微型电阻在不同温度下的电阻值之后,将传感器嵌入到燃料电池阴极板和质子交换膜之间,通过读取燃料电池工作状态的实时电阻数据来预测燃料电池内部各个位置的温度。此传感器显示了良好的温度敏感性。通过比较测试数据和仿真数据,温度测量的有效性也得到了验证。同时温度的测量不会影响到燃料电池本身的性能。因此本测量方法是一种新型的、有着广阔商业化前景的燃料电池内部温度测量方案。

质子交换膜燃料电池在电动汽车中的应用

随着国家对清洁能源的大力倡导,以氢能为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术得到飞速发展,PEMFC的应用也越来越广泛。PEMFC技术的日益成熟,也为电动汽车动力系统提供了一种新的选择。对PEMFC发展现状及工作特性进行分析,探讨PEMFC在电动汽车中的应用情况,分析现有的氢电混合动力系统结构并提出一种基于规则的PEMFC汽车能量管理策略。

水冷质子交换膜燃料电池控温系统建模与仿真分析

本文对水冷质子交换膜燃料电池进行了分阶段控温建模。在冷液-热液混合控温阶段,通过反馈线性化方法解决了系统的非线性特性。仿真结果表明,采用反馈线性化方法后,再结合PID控制就能够实现良好的控温效果。在散热风扇控温阶段,采用基于Lyapunov稳定性理论的模型参考自适应控制设计方法,设计了模型跟随控制器及其对应的自适应控制律。仿真结果表明,在燃料电池系统载荷变化、水泵转速变化和工作环境温度变化等情况下,仍可实现控温目标的一致跟随。