微观磁场促进质子交换膜燃料电池内氧传递和还原反应研究

项目摘要：质子交换膜燃料电池在进入商业应用之前必须解决成本、寿命、可靠性和氢源等问题．其中提高放电性能是解决其它问题的前提，而阴极空气传递速度慢和氧气还原反应速度相对于阳极氢气氧化反应较低又是控制放电性能的关键．本项目采用碳包敷硬磁纳米材料为载体制备负载铂催化剂，把微磁场引入质子交换膜燃料电池阴极；     

质子交换膜燃料电池电极制备及评价

质子交换膜燃料电池采用固体聚合物膜为电角质简化了电池的水和电解质管理;薄的电解质膜使其可以获得非常高的比能量密度;高度可靠性和环境友好使其在用于航天、陆地和水下设备电源等方面具有广泛的应用前景。研究了质子交换膜燃料电池的电催化剂和电极制备并同国外的电极进行了比较。结果表明：自制电极电池的性能接近国外同类产品。     

蛇形流场PEM燃料电池膜中水传输的三维模拟

膜中水传输对质子交换膜燃料电池的性能具有极其重要的影响.文中建立了一个蛇形流场单电池的三维模型,研究了低电流密度下燃料电池运行温度、膜厚、过量系数、相对湿度、操作压力和电流密度等运行条件对膜中水含量的影响.计算结果表明:随着温度的升高,膜中的水含量先升高后降低;减小质子交换膜膜厚和过量系数.增大相对湿度、操作压力和电流密度.膜中的水含量增加.电导率就会增加,从而促进电池性能提高.     

直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化

以新型阻醇材料Na2Ti3O7/Nafion复合膜为质子交换膜,利用热压法制备膜电极（MEA）,对直接甲醇单电池进行测试.考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个参数对直接甲醇燃料电池极化曲线性能的影响.实验结果表明,电池温度对电池性能的影响较为明显,提高电池温度有利于得到较好的电池性能.甲醇浓度对电池性能影响也比较明显,较低甲醇浓度有利于提高电池性能.甲醇流速和空气流速对电池性能的影响较小,阴极加湿温度对电池性能几乎没有影响.通过分析优化,该直接甲醇燃料电池的电池性能最佳工作条件是在80℃情况下,低电流密度工作区采用较低浓度甲醇溶液,高电流密度工作区采用高浓度甲醇溶液.     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置。质子交换膜是PEMFC的核心组成，是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂，为降低成本，提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向之一。文中对PEMFC电极的制备技术和电池的水管理、热管理方法等作了简要介绍。     

基于数据驱动的质子交换膜燃料电池寿命预测

质子交换膜燃料电池发电技术是极具应用潜力和工业前景的技术,对质子交换膜燃料电池进行寿命预测是其走向商业推广应用的重要一环. 从质子交换膜燃料电池的退化特性及输出特性出发,分析系统及环境因素是如何影响其退化的;阐述了基于数据驱动的寿命预测方法的研究现状,着重对基于神经网络算法的寿命预测进行了综述;分析了寿命预测算法存在的不确定性来源;最后,对质子交换膜燃料电池的寿命预测研究进行了展望,阐明当前存在的经验数据有限、缺乏对瞬态过程的建模、难以实现在线预测等问题,尤其机车用大功率质子交换膜燃料电池的寿命预测仍存在诸多难点.      

膨胀石墨作为质子交换膜燃料电池双极板材料研究

以膨胀石墨、T90密封剂为原料,采用真空加压注密和高温焙烧方法,制备得到膨胀石墨复合材料,并应用于质子交换膜燃料电池双极板.此方法有利于低成本化的模压生产,推动膨胀石墨作为质子交换膜燃料电池双极板材料的商业化发展.结果表明,在真空负压8 h后注入密封剂,加压0.7 MPa下维持12 h.然后先在120℃时焙烧4 h,在...     

质子交换膜燃料电池的效率分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的效率受燃料电池设计和操作条件等多种因素的影响.文中建立了能够计算PEMFC效率的单电池稳态模型,模型预测的极化曲线与实验结果吻合良好.利用该模型研究了电池工作温度和工作压力对电池效率的影响.计算结果表明,在电池工作温度范围内,提高电池工作温度,有利于提高电池效率,高电流密度电池效率增幅要大;提高阴极和阳极工作压力均有利于电池效率提高,但阴极的工作压力增加对提高电池效率作用明显.     

质子交换膜燃料电池水管理研究

水管理是质子交换膜燃料电池（PEMFC）可靠运行的关键，既维持适当的膜的水合程度，又不致水淹电极，是水管理的理想状况．燃料电池作为一个多相、多尺度、多物理场、动态复杂系统，其中的流动、传热、传质、相变、多相流和电化学过程相互影响、相互联系、相互制约．就PEMFC内流体流动，物质的传输，热量生成和传递，水的相变及两相流，电化学反应等方面综述了目前的研究进展，权衡利弊，以期达到最佳的燃料电池电化学性能．     

燃料电池

燃料电池是将燃料的化学能直接转变成电能的电化学发电装置,它与传统的一次电池(干电池)、二次电池(蓄电池)有着本质的区别。传统的电池只是储电,燃料电池则是发电。燃料电池将燃料的化学能直接转变成电能的基本原理是:当氢气(H_2)穿过多孔阳极与质子交换     

质子交换膜燃料电池的性能

以铂黑为电催化剂、Nafion117为电解质制备了膜＆电极组件,分析了电极结构、电池结构和操作条件对质子交换膜燃料电池性能的影响．结果表明：催化层内的聚四氯乙烯（PTFE）和质子导体Nafion的含量都有一最佳值范围,过少不能提供足够的反应界面、气体通道和质子通道;过多则增大气体和质子传递阻力．提高温度和压力将改善电池内电化学反应和传质．良好的电池结构将有利于电池排水和减小接触电阻．     

质子交换膜燃料电池用碳纳米管载铂催化剂的研究

采用原位化学还原法制备碳纳米管载铂(Pt／CNTs)和碳粉载铂(Pt／C)催化剂，并对它们进行透射电镜分析和X射线衍射分析，同时制成膜电板，组成单电池，对质子交换膜燃料电池的性能进行测试．实验结果表明，所制备的两种催化剂中铂粒径均较小(4nm左右)，而Pt／CNTs表现出的催化性能比Pt／C更优越。     

质子交换膜燃料电池水淹和膜干故障诊断研究综述

质子交换膜燃料电池水淹和膜干是其在运行过程中最常见的故障. 首先，阐述了质子交换膜燃料电池中水的产生和传输机理，概括了水淹和膜干故障的影响因素，列举并分析了基于电压、压力降和阻抗的水淹和膜干诊断指标及各自的优缺点，并从内部结构和电荷传输方面介绍了水淹和膜干对质子交换膜燃料电池的危害；其次，讨论了水淹和膜干故障基于模型、基于实验和基于数据驱动的3种诊断方法及其适用范围，另外分析了缓解水淹和膜干故障的常用措施；最后，对水淹和膜干故障进行了总结和展望，并指出基于数据驱动的在线诊断方法、适于故障诊断的模型建立、大尺度电堆及多堆间水淹和膜干故障的诊断及高效精准的故障诊断指标的探索有待深入研究.      

流道脊宽对梯形流道质子交换膜燃料电池性能的影响

为研究流道脊宽对梯形截面流道质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)性能的影响,通过流体动力学软件Fluent搭建PEMFC三维模型,分析单通道燃料电池宽度为2 mm,流道脊宽分别为0.6、0.8、1.4、1.6 mm时质子交换膜温度、阴极气体扩散层和催化层...     

扩散层孔隙率随机分布对燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池气体扩散层孔隙率分布对燃料电池性能有着重要的影响.本文建立了一个单电池的三维模型,分别考虑了扩散层孔隙率均匀统计分布、正态统计分布、单一统计分布三种情况,并用有限控制体法对模型进行了求解.结果表明,孔隙率单一统计分布扩散层的传质性能最好,且MEA的温度分布最均匀,因此电池性能最好.     

聚苯胺复合材料制备及在模拟PEMFC环境下的电化学行为

应用化学刻蚀技术在80℃硫酸溶液中处理316L不锈钢,获得高Cr含量表面改性层.采用恒电压聚合技术在该改性层表面沉积聚苯胺膜,并测试聚苯胺/改性316L不锈钢材料在模拟质子交换膜燃料电池工作环境下的电化学行为.结果表明,聚苯胺膜层能使316L不锈钢在80℃0.5 mo L/L H_2SO_4+5 ppm F~(-1)溶液中的阳极极化曲线均由原样SS316L的活化-钝化行为转为自钝化状态,维钝电流均下降1~2个数量级;在模拟质子交换膜燃料电池运行环境中,经10 h恒电位极化,阴极侧或阳极侧腐蚀电流均低于美国DOE指定标准;在1.4 MPa压紧力下,聚苯胺膜层与Toray 060碳纸间接触电阻下降约256 mΩ·cm~2.316L不锈钢表面改性后涂覆聚苯胺膜,能显著提高不锈钢在模拟电池环境下的耐蚀性和导电性.     

质子交换膜燃料电池的结构和运行参数对其性能的影响

讨论了电池结构参数和运行条件对质子交换膜燃料电池性能的影响．结果表明：催化层中的聚四氟乙烯（PTFE）和质子导体Nation的含量都有一最佳范围；良好的电池结构和尺寸将有利于反应气体的均匀分配、产物的排出以及电池内阻的减小．增加气体扩散层的孔径、孔隙率可增大电池的极限电流密度；降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻；提高运行温度和压力将改善电池内电化学反应和传质；加湿温度、反应气体的流速应适应电流密度的变化．     

质子交换膜燃料电池扩散层分形维数计算方法研究

采集了一组放大倍数不同的质子交换膜燃料电池扩散层材料扫描电子显微镜图像，对5种数字图像分形维数计算方法进行研究，以期找出最佳的研究扩散层材料分形维数的计算方法．试验结果表明：盒维法最简单，物理意义明确，计算结果准确，计算时间短．因此采用盒维法测定扩散层分形维数最合适．     

质子交换膜燃料电池的温度场模拟

根据流体动力学和传热学理论，建立了一个三维的单流遭质子交换膜燃料电池模型，并应用有限控制体法对模型进行求解．总体而言，单流道燃料电池温差很小，阳极催化层温差大致在1K左右，而阴极催化层温差小于3K，最高温度发生在阴极催化层的反应区．将模拟的结果与有关的试验结果做了比较，结论相一致．     

质子交换膜燃料电池的性能

以铂黑为电催化剂、Nafion117为电解质制备了膜&电极组件,分析了电极结构、电池结构和操作条件对质子交换膜燃料电池性能的影响.结果表明:催化层内的聚四氟乙烯(PTFE)和质子导体Nafion的含量都有一最佳值范围,过少不能提供足够的反应界面、气体通道和质子通道;过多则增大气体和质子传递阻力.提高温度和压力将改善电池内电化学反应和传质.良好的电池结构将有利于电池排水和减小接触电阻.