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1.  三维顺排阳极自呼吸微流体燃料电池性能特性  
   张彪叶丁丁朱恂李俊廖强《工程热物理学报》,2014年第6期
   自呼吸微流体燃料电池是很有前景的新型微型电源,目前其性能的主要限制因素是阳极燃料传质。本文构建了具有三维顺排阳极的自呼吸微流体燃料电池,利用圆柱形阳极在流道中容积式的分布增大反应面积,强化燃料传输。本文研究了燃料浓度和反应物流量对电池性能的影响,并对流道中的两相流动进行了可视化观察。实验结果表明:随燃料浓度或反应物流量的增加,电池性能先升高后降低;产生的CO_2气泡能够被限制在阳极电极和隔离棒中,减小了其对阴极侧电解液流动的扰动;气泡会在隔离棒之间聚并形成气膜,气膜周期性形成和排出的动态行为对电池的放电性能具有较大影响。    

2.  质子交换膜燃料电流道淹没与传质强化  
   刘璿  郭航  叶芳  马重芳《工程热物理学报》,2006年第27卷第Z2期
   在地面常重力环境下,采用透明电池可视化方法研究了质子交换膜燃料电池阳极和阴极的流道淹没现象。分别研究了阳极和阴极反应物流量对电池内部传质和电池性能的影响。结果表明,电池阴极的淹没区域比阳极大,由电极淹没引起的气体传质受限和电化学反应受限主要发生在阴极。提高反应物流量能够强化气体传质并提高电池性能,并且提高电池阴极侧反应物流量比提高阳极侧反应物流量对提高电池性能更有效。本文工作为进一步开展微重力环境中的燃料电池实验提供了比较依据。    

3.  短时微重力条件下燃料电池性能实验研究  被引次数:1
   郭航  赵建福  律翠萍  万士昕  吴峰  叶芳  马重芳《工程热物理学报》,2008年第29卷第5期
   开展了不同重力情况下燃料电池性能的实验研究.利用微重力落塔,对常重力和微重力条件下燃料电池发电时其内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:当电流密度较大时,在微重力环境中燃料电池性能较常重力环境中的有较明显下降.由于微重力条件下浮升力的消失导致气体不能及时从流道中排出,进而对直接甲醇燃料电池内的传质过程产生负面影响.    

4.  直接甲醇燃料电池两相非等温模型  
   苗政  何雅玲  李相霖  邹金强《工程热物理学报》,2009年第30卷第12期
   本文建立了直接甲醇燃料电池的两相、非等温模型.采用多孔介质中的经典多相流动模型来计算电池内与电化学反应相耦合的传质、传热问题;模型中考虑了水的汽化凝结过程和甲醇窜流对电池性能的影响.计算结果表明电池内温度分布不均匀,温度最高点出现在阴极催化层;阳极甲醇浓度分布不均匀是造成阳极催化层内局部反应速率不均匀分布的主要原因,而阴极催化层局部反应速率主要依赖于阴极过电势的分布;大的流场板开口比条件下电池整体均匀性较好,性能得到提高.    

5.  直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场两相流研究  
   叶芳  孔佳  郭航  马重芳《工程热物理学报》,2009年第30卷第9期
   本文针对配备三通道蛇形阳极流场的液态进料直接甲醇燃料电池阳极两相流及电池性能开展了实验研究.液态进料的直接甲醇燃料电池阳极流床内会形成二氧化碳气泡与甲醇溶液构成的两相流系统,其两相流特性受到电池流道设计、运行工况和工作角度的影响,并同时影响燃料电池的性能.本文设计了三通道蛇形流场,通过可视化实验得到直接甲醇燃料电池三通道蛇形阳极流场内的两相流特性随电流密度变化的规律,并研究了燃料电池在不同旋转角度下的两相流特性和电池性能.实验结果表明:在不同的旋转角度下,电池都体现出较好的工作性能.    

6.  质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究  
   郭航  赵建福  刘璿  叶芳  万士昕  马重芳《工程热物理学报》,2009年第30卷第8期
   利用落塔开展了不同重力情况下质子交换膜燃料电池性能的实验研究.对常重力和微重力条件下质子交换膜燃料电池发电时其阴极蛇形流场内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对质子交换膜燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:在常重力环境中,液态水堆积在竖置流道的底部,无法有效排出.聚集在流道内的液态水与反应气体在流道内形成气/液两相流动.在微重力环境中,液态水在气体推动力的作用下从流道的底部上升并沿流道向出口流动.聚集在流道内的液态水排除后,减小了反应气体(氧气)从流道向催化层的传递阻力,从而使质子交换膜燃料电池的性能得到提高.    

7.  正方形小通道内的非牛顿流体-氮气两相流动流型的实验研究  
   毕勤成  刘斌  黄可欣  杨朝初《工程热物理学报》,2009年第30卷第11期
   对水力直径为2.5 mm的正方形小通道内的非牛顿流体-氮气的垂直向上两相流动流型进行了可视化实验,工质分别为:浓度0.2%的聚丙烯酰胺(PAM)和0.2%的黄原胶(XG)水溶液,表观气速0.1~100 m/s,表观液速0.01~6 m/s.观察到的典型流型有:弹状流、搅拌流、弹环状流和环状流,其中弹环状流未见于水-空气上升流动.在PAM-氮气实验中发现了一种新流型-泡状-弹状流.通过流型图对比,发现非牛顿流体的搅拌流区域较牛顿流体窄,弹状-搅拌流转变线也明显右移,非牛顿流体的黏性对流型转变的影响较大.    

8.  阳极传质对三合一微生物燃料电池性能的影响  
   朱恂  张亮  李俊  叶丁丁  廖强《工程热物理学报》,2014年第11期
   物质传输是影响MFC性能的一个重要因素。本文构建三合一膜电极式微生物燃料电池(MFC),研究了阳极传质形式对MFC启动特性、阳极生物膜电化学活性和性能的影响。结果表明,与阳极采用大腔室结构的MFC-1相比,阳极采用蛇形流道的MFC-2由于在启动过程中阳极电解液传质较佳,不但启动较快而且输出电压更高。启动完成后,MFC-2阳极生物膜电化学活性较高,采取不同扫描速度的循环伏安扫描测试证明了这主要是由于蛇形流道较佳的传质所致。启动过程和产电过程中较佳的传质导致MFC-2最大功率密度(2676.2 mW·m~(-2))比MFC-1最大功率密度(2149.0 mW·m~(-2))约高24.5%。    

9.  PEM燃料电池毛细压力流道拓展模型  
   杨晓光  叶强  郑平《工程热物理学报》,2011年第3期
   多孔电极与流道内的水淹现象是制约质子交换膜(PEM)燃料电池性能提高的关键难题。传统的宏观两相模型普遍存在液态水饱和度预测值偏低的不足,而流道内气液两相雾状流的假设则是低估水淹程度的一个主要原因。本文提出了反映流道壁面浸润差异性的毛细压力流道拓展模型,并对低气速下燃料电池内的传热传质进行了模拟。计算结果表明,该模型克服了原有模型对饱和度预测值偏低的不足,不仅反映了液相水分布的贴壁效应,同时还可以考虑流道壁面差异的影响。    

10.  直接甲醇燃料电池热传递数值模拟  
   何雅玲  邹金强  苗政  刘增  李相霖《工程热物理学报》,2010年第12期
   本文建立了二维两相非等温的直接甲醇燃料电池(DMFC)模型,综合考虑了DMFC中的电化学反应、热传递、组分传递和甲醇串流。计算了电池内的温度分布、不同电流密度下的膜电极内部最大温差和膜电极平均温度;在此基础上研究了环境和甲醇进口浓度对电池性能、膜电极内平均温度和最大温差的影响。结果表明:膜电极内阴极的温度高于阳极;甲醇进口浓度的上升导致膜电极内平均温度和最大温差上升;环境对电池性能的影响很小。    

11.  直接甲醇燃料电池阴极水淹过程实验研究  被引次数:1
   丁玉栋  朱恂  廖强  姬升阳  李俊《工程热物理学报》,2009年第30卷第4期
   对自制可视化直接甲醇燃料电池单体阴极流场内液滴生长特性、氧气流量和氧气进气温度对流场水淹及电池性能的影响进行了实验研究.结果表明:平行流场中首个液滴大多在流场右上区域冒出;流场中新液滴的出现具有瞬间涌出特性,并优先在流场板和扩散层交界的夹角处及扩散层表面碳纤维束交叉处产生;液滴生长过程具有非连续性,与流道边壁相接触的液滴和液柱的生长速度均大于未接触流道边壁的液滴生长速度,而且液柱有逆气流方向反向生长现象.氧气流量及氧气进气温度的升高,均导致阴极流道内液态水和流场中大液滴数量及形成液柱的长度减少,促使电池性能提高.    

12.  直接甲醇燃料电池膜电极的研究与进展  
   索春光  刘晓为  张宇峰  张博  张鹏  王路文《化学进展》,2009年第Z2期
   膜电极(MEA)是直接甲醇燃料电池(DMFC)的核心部件。文中对MEA的研究现状从4个方面进行了详细评述。首先,对组成MEA的关键材料,如电催化剂、质子交换膜、扩散层的研究进展进行了介绍,认为开发低温高效、贵金属载量低的电催化剂以及研制低成本、低甲醇渗透的非氟质子交换膜是MEA关键材料的研究方向。第二,对于MEA的制备方法,文中对以GDL为支撑体的GDE法和以PEM为支撑体的CCM法进行了详细的评述,认为CCM法是今后MEA制备工艺的重要发展方向。第三,关于MEA的表征技术,认为采用电化学方法结合现代谱学技术仍是未来一段时间对MEA表征的主要手段。第四,介绍了MEA数学模型的研究现状,DMFC数学模型的研究是以PEMFC的模型为基础建立起来的,但是建立DMFC的数学模型更为复杂,认为今后对DMFC膜电极模型的研究要充分考虑阳极二氧化碳与甲醇水溶液的两相流问题以及阴极甲醇渗透对电池性能影响的问题。最后,对直接甲醇燃料电池膜电极未来的发展进行了展望。    

13.  管壁取样器分流比例调节及两相流量测量  
   梁法春  王栋  林宗虎《工程热物理学报》,2009年第30卷第10期
   分流比例的大小和波动范围直接影响到管壁取样分配器的体积大小和流量测量精度,为此开展了对气液相分流系数影响因素的理论分析,并在空气-水两相流实验环道上进行了实验研究.实验分配器主管直径为40 mm,管路中出现的流型包括分层流、波状流、环状流以及弹状流.通过改变取样孔数目以及分流回路安装阻力调节孔板研究调节前后分流系数的变化规律.研究发现,旋流型管壁取样分配器液相分流系数主要取决于取样孔总面积的大小,而气相分流系数大小主要由分流回路和主回路的阻力特性决定.    

14.  直接甲醇燃料电池阳极流道两相流动的拟沸腾模型(I)流动压力降的计算  
   王江  施明恒  蒋杰  蔡辉  陈志《工程热物理学报》,2006年第27卷第2期
   本文分析了直接甲醇燃料电池阳极流道中存在的气液两相流动现象。通过与传统加热管中流动沸腾现象进行比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,建立了气液两相流压力降模型。基于在建的活化面积为100 cm2的DMFC极板的蛇行流场设计,计算了阳极流道的压力降,分析了各分压力降对总压降的影响。计算结果表明:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。    

15.  直接甲醇燃料电池反应和组分传递的模型计算  
   苗政  何雅玲  李相霖  李小跃《工程热物理学报》,2008年第29卷第11期
   本文建立了直接甲醇燃料电池的二维、单相数学模型来研究电池内各种场的分布情况.模型中考虑了与电化学反应相伴随的、与流体动力学相关的反应与物料传递的耦合过程以及甲醇串流对阴极反应的影响;对阳极和阴极催化层传质过程引入了团聚块模型进行修正.计算了电池内的反应组分浓度分布和局部电流分布以及催化层沿长度方向的局部过电势分布,分析丁催化层内反应的非均匀性.在此基础上考察了对电池流场板结构的改进方案:减小集流板肋条宽度以及在肋条过窄时引入金属泡沫代替电池流场板和扩散层对电池性能的影响,通过对比计算表明两种改进均可以使得催化层反应均匀化,使电池输出性能得到提高,后者效果更佳.    

16.  铂纳米棒有序阵列催化电极在被动式直接甲醇燃料电池中的应用  
   汪艳林  程庆庆  袁婷  周毅  张海峰  邹志青  方建慧  杨辉《催化学报》,2016年第7期
   直接甲醇燃料电池(DMFC)具有能量密度高、无需充电、液体燃料添加便捷及环境友好等优点,是新一代便携式移动电源研究热点. DMFC规模应用的主要技术挑战是如何进一步提高电池性能、显著降低成本和可靠延长寿命.催化电极作为 DMFC发电核心和成本的集中体现,其电催化活性和贵金属用量直接影响 DMFC的性能和成本,开发高性能、低成本的催化电极对推进 DMFC实用化进程具有重要意义.特别是在被动式 DMFC中,阴极催化电极不仅需要提高电催化活性和大幅降低贵金属用量,而且还面临内部严重的“水淹”和氧传质受限等问题.近年来,随着纳米技术发展,有序纳米结构已逐渐应用于 DMFC催化电极的构筑中,电池性能得到显著提高.然而,目前的研究主要集中在膜电极纳米有序微孔层、纳米有序改性膜和纳米有序阳极催化电极及其阳极贵金属载量降低等方面,关于阴极催化电极在有序纳米结构以及载量降低等方面的研究相对较少.
  本文采用模板法直接在微孔层上电沉积定向生长排列有序、直径可控的铂纳米棒阵列,并作为阴极催化电极应用于被动式 DMFC. X射线衍射和透射电镜结果表明,该铂纳米棒结构稳定,表面含有丰富的纳米晶须结构,有利于催化电极比表面积增加和电催化活性提高.不同催化电极上氧还原的极化曲线表明电极性能依下列次序变化:直径为200 nm铂纳米棒阵列电极>100 nm铂纳米棒阵列电极>商业化铂黑催化电极.电池性能表征表明,长度为1–3μm、直径分别为200和100 nm、载量为1.0 mg/cm2的铂纳米棒阵列作为阴极催化电极的 DMFC最大功率密度分别为17.3和12.0 mW/cm2.通过催化电极电化学活性面积和阻抗测试,分析其性能提高的原因可归结于有序排列的铂纳米棒阵列结构提高了电化学活性面积、增强了氧还原电催化活性并促进了阴极氧的传质.
   

17.  直接甲醇燃料电池中的涉水传递现象及数值模拟  
   齐亮  谢晓峰  徐景明  周其凤《化学进展》,2006年第18卷第12期
   直接甲醇燃料电池(DMFC)的开发设计日渐成为燃料电池领域的研究热点。利用数学模型对内部传递现象进行数值模拟,不仅具有很强的理论意义,而且对结构设计和操作条件优化有很强的指导意义。本文基于两相流模型和CFD(computer fluid dynamics)技术的应用,综述了电池内部绝大多数的传递过程,特别是近些年开发的电池内部与水相关的传递过程的物理模型和数学模型,并以二者的相互联系加以组织。这些模型思想综合考虑了微观传递机理,描述了电池内复杂的传递现象并提供了相应的数值模拟方法和模型验证方法。这些方法能够加深人们对电池内部传质现象的理解,而其实用意义在于能够指导设计和优化电池结构、提高电池的体积和重量比能量密度和缩短开发周期和大幅度降低开发成本。    

18.  PEM燃料电池中的两相传质及其影响  
   孙红  郭烈锦  刘洪潭  张广升《工程热物理学报》,2006年第27卷第2期
   建立了一个新的二维、两相流模型来研究质子交换膜(PEM)燃料电池中的两相传质及其对质子膜阻抗和阴极性能的影响。模型不仅将催化剂层(CL)包含在电极中,还考虑了电池中相变及其对传质的影响。模型可同时使用在电池的阴极和阳极。主要模拟了电池阴极中两相传质、质子膜阻抗、阴极有效孔隙率和电流密度。模拟结果显示,提高加湿温度可以降低质子膜的阻抗,但过高的加湿温度会降低阴极气体扩散层(GDL)的有效孔隙率,降低阴极的性能。    

19.  甲醇在钯电极上的电化学氧化  
   陈东慧  王作虎  杨晨  胡效亚《分析化学》,2009年第37卷第Z1期
   直接甲醇燃料电池(DMFC)是将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转化为电能的装置,它体积小、环境污染小、性能可靠,具有广阔的应用前景.甲醇分子反应活性较低,具有较高的极化电位,因此阳极催化剂是DMFC研究的重要内容.目前阳极催化剂往往采用大量的贵金属(如铂),这不可避免地增加了DMFC的成本,限制了DMFC的应用范围~([1]).    

20.  直接甲醇燃料电池纳米结构电催化材料及多孔电极研究  
   王萌  王新东  陈明  杨兆一  董超振《催化学报》,2016年第7期
   直接甲醇燃料电池(DMFC)因其燃料能量密度高,工作温度低,低污染排放等优点被认为是用作移动设备电源的最佳选择之一,至今已有美国的Oorja Protonics公司和丹麦的IRD公司等新能源相关企业相继发布了多款用于手机、电脑、通信基站、叉式装卸机或房车的商业产品.然而, DMFC内部的复杂情况造成的多种不同的电压损失仍旧使得其实际电压效率远低于理论值.其中从阳极渗透到阴极的甲醇造成的混合电位导致的电压损失尤为明显.目前,众多研究人员都致力于开发高稳定性、高耐久性、高性能且低成本的催化材料体系,以克服传统Pt催化剂存在的各种问题.除了催化剂本身之外, DMFC的问题还与其中膜电极的微结构和电化学特性息息相关.膜电极是化学能通过电催化氧化还原反应转化为电能的反应场所,通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依序组合而成.通过对MEA中的各层进行优化,如传质管理和甲醇渗透等问题都能得到有效解决.
  近年来,纳米技术常被用于改进DMFC性能的研究.具备纳米结构的金属-碳/金属氧化物载体类催化材料得到了广泛研究.这些电催化材料在制备方法、结构和组分上都有较大区别.结构方面,许多研究都证明制备纳米级多孔网络结构或者有序阵列结构的催化层有助于提高催化性能和Pt的利用率.组分方面,许多研究人员都开展了引入Pt以外金属成分或金属氧化物来改变Pt催化剂的表面电子状态的研究.引入这些组分导致的配位体效应可以通过弱化Pt与H+, OH-或COads等的相互作用来起到抗催化毒化和提高催化效率的作用.尽管对于DMFC领域的认知逐渐完善,但是仍有许多问题有待解决.因此,本文介绍了目前用于DMFC的纳米结构电催化材料和多孔电极的研究进展.重点介绍了纳米结构催化剂和载体材料的合成及表征.
  通过对比不同催化材料的特性可以发现,在本文涉及到的催化材料中, In0.1SnO2-Pt和(MoO3)0.2SnO2-Pt/C表现出了最高的催化活性,但是它们高效催化甲醇电氧化所需的碱性环境与现在占绝对主流地位的Nafion质子交换膜所必须的酸性环境相冲突,所以其实际应用价值在碱性阴离子交换膜研究取得突破前都难以有效发挥.而另一类表现较好的采用溶致液晶模板法合成的纳米树枝状和纳米星形Pt催化剂则存在制备工艺难以商业规模化的问题.总的来说,采用溶剂热合成法制备的Pt-NRCeO2/GNs和Pt/Ti0.9Sn0.1O2-C等纳米结构金属氧化物、碳材料复合载体和Pt基贵金属催化剂组成的催化材料体系不仅催化性能相对于商业化Pt纳米颗粒有很大提高,而且制备方法易于商业规模化,值得进一步关注.此外,本文还介绍了如内部传质过程的理论建模计算和膜电极中功能结构的制备等优化DMFC中多孔电极内传质过程的方法.通过计算机模拟得到优化DMFC内部传质过程所需的扩散层、催化层的传质特性相关参数,再通过改进MEA制备工艺,有效控制各层的结构参数向模拟的优化值靠拢,能够实现DMFC性能的有效提升.综合模拟、实验研究及工艺研究结果,根据实际需要,设计和制备包含新功能层的MEA的相关研究也更进一步提高了DMFC的性能和实用性.就目前的研究情况而言,如果在性能提升的基础上,使用寿命再取得突破, DMFC一定会有很好的商业应用前景.
   

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