质子交换膜燃料电池电流密度分布特性和研究展望

质子交换膜燃料电池具有无污染、噪声低、能量密度高、燃料转换效率高、响应速度快的显著优点,得到了迅速发展,但寿命仍然是制约其大规模商业化的重要原因。局部电流密度作为质子交换膜燃料电池运行过程中的重要参数,既能作为电池运行过程中的故障诊断和定位工具,提升电池运行的稳定性和和耐久性;又能提供电池运行期间其内部现象的有关信息,为深入理解电池反应机理以及优化电池设计提供有力指导,因此研究局部电流密度具有非常重要的意义。本文介绍并分析了实时原位测量局部电流密度的方法,比较了前人实验所得结果与模拟所得结果,阐述了相关参数对局部电流密度分布的影响机制,回顾并评析了局部电流密度用于燃料电池分析中的实际工作。最后,立足于局部电流密度的研究现状,给出了局部电流密度下一步的研究方向。     

质子交换膜冻结温度的理论与实验研究

本文理论推导出全氟磺酸膜中水的冻结温度与摩尔含水量λ之间的关系式,并采用示差扫描量热法通过实验测试不同水含量下Nafion211膜的冻结温度。结果表明:Nafion211膜的冻结温度随水含量的增大而升高.当膜中水总含量λ7时,膜中水的冻结温度下降到-15℃以下;而当λ20时,膜中水的冻结温度低于-20℃。理论计算与实验测试数据十分吻合。     

质子交换膜燃料电池阴极气场设计优化

通过建立质子交换膜燃料电池阴极气场的三维简化模型,研究了不同进气方式、不同进出气总管尺寸对电池堆流量分布的影响,并提出从单电池流道深度的角度优化气场分布的改进方案。结果表明,与单入口进气方式相比,双入口进气方式效果更优;采用2-2型进气方案时流量分布最为均匀,进气功耗最小;增大进气总管的宽度可以使电堆流量分布更加均匀;各单电池合理采用非均匀深度流道可以有效提高电池堆流量分布均匀性。     

PEMFC尾气冷凝的自增湿运行

为增强质子交换膜的导电特性,在燃料电池,特别是大功率长时间运行的电堆中,需要有大量的加湿水。本文提出用冷凝器来冷却出口尾气,以收集大量的液态水并实现电池自增湿的方法。结果表明:尾气经冷凝降到一定温度分离出的液态水能有效满足反应气体的加湿要求,实现电堆的自增湿运行。     

小型平板CPL蒸发器优化设计研究

本文建立了小型平板CPL蒸发器二维的整场数学模型,并用SIMPLE程序对蒸发器进行整场耦合求解.研究表明,平板型CPL蒸发器存在着侧壁效应传热极限,减小液体补偿腔的高度,减小侧壁以及下壁的厚度以及增加毛细芯的高度可以提高CPL的传热能力.     

2-取代咪唑衍生物掺杂高温非水用Nafion质子交换膜的制备和性能

高温质子交换膜燃料电池所面临的一个主要技术障碍是高温低湿度环境下能够具有满足电池工作条件的膜的制备.本文通过所合成的2-取代咪唑衍生物与全氟磺酸树脂的掺杂,采用溶液重铸法制备了可以在高温无水条件下工作的质子交换膜.通过2-位疏水基团的接枝,实现了非水质子传导介质的咪唑环在膜内的固定,所制备的复合质子交换膜的导质子率在160℃无水条件下达到6.8×10^-3Scm^-1;而且相比全氟磺酸均质膜,其热稳定性也有所提高.采用静电力显微镜观察到了所制备的复合质子交换膜内相互连接的离子团簇的形成;结合其质子传导活化能,提出了所制备的复合质子交换膜在120℃以下质子传导以跳跃方式为主;在120℃以上,则以咪唑环的＂钟摆＂形式实现质子在膜内的传输.