大功率质子交换膜燃料电池电堆膜电极一致性研究

随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大,大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。大功率燃料电池电堆的电压一致性是衡量或影响电堆性能的重要指标。对某公司生产的65 kW大功率电堆进行了单电池一致性的研究,考察不同运行条件对于电堆一致性的影响,并对其产生的可能原因进行了深入的研究和讨论。研究结果表明:在额定功率和给定的运行条件下,电堆表现出了较好的一致性;电堆输出功率、电堆温度和温差、反应气体计量比、气体湿度等对电堆膜电极一致性均有较大的影响。其中输出功率、空气计量比、气体湿度对于电堆一致性的影响最为强烈,输出功率增高、空气计量比和空气湿度降低均会大幅度降低电堆的一致性。在研究结果的基础上,提出了保持大功率燃料电池电堆一致性的运行条件的建议。可为改善大功率电堆的设计和优化大功率电堆的运行条件,及促进我国燃料电池技术及产业的发展提供参考。

燃料电池质子交换膜表面微结构热压工艺热力耦合特性研究

质子交换膜是燃料电池内部传导氢质子的核心功能元件,传统二维光滑膜表面存在质子传输性能差、三相反应界面小等问题。构建膜表面功能微结构是发展高性能燃料电池的潜在途径。为揭示质子交换膜微热压制造结构成型过程中的热-力耦合作用机制,研究质子交换膜在不同温度及应力作用下的弹塑性及黏弹力学性能,构建并验证质子交换膜的黏弹本构模型,揭示质子交换膜表面结构微热压制造过程中的成型机制。研究结果表明在相同拉应力作用下,提高膜的温度,质子交换膜的弹性变形区间减小,塑性变形区间延长。温度升高,膜的弹性应变占比降低,黏性应变占比提高。此外,热-力耦合条件的变化引起质子交换膜内部的分子链内在取向改变,从而改变膜的黏弹力学性能。最后通过多因素权重因子分析得到压应力、热压温度和热压时间的权重因子值。研究表明选择合适的制造温度和应力有助于实现质子交换膜表面结构的高性能制造。