PEM燃料电池Pt基氧还原催化剂新进展

对近年来改善Pt催化剂本征氧还原活性的研究进行了系统的总结,发现Pt基合金催化剂和Me@Pt核壳结构催化剂氧还原能力的增强均与Pt化学键的改变导致中间产物吸脱附能力的变化有关,但Pt基合金催化剂和在动态电位以及强酸条件下具有较低的物理结构稳定性和化学稳定性;同时,由于Pt催化剂氧还原能力具有高度的晶体结构依赖性,提高催化剂的高活性晶面是改善催化剂氧还原能力的有效措施。

负载对PEM燃料电池瞬态响应特性的影响

利用暂态测量方法,比较了纯阻性负载和纯感性负载及加载方式对质子交换膜燃料电池(PEMFC)瞬态响应特性的影响。结果证明,PEMFC瞬态响应与电池负载类型、负载的加载方式有密切联系。同样的阶跃电流,PEMFC加载纯阻性负载比加载纯感性负载响应时间更短,低调量更小。感性负载由于其自感效应会带来更长的响应时间和更大的低调量。PEMFC加载纯阻性负载时,固定电流加载方式电压低调量稍大,而固定电压的加载方式不会带来低调电压;两种加载方式的响应时间接近。总之纯阻性负载、固定电压方式加载的情况下,质子交换膜燃料电池瞬态响应特性最佳。

燃料电池微孔层在反极高电势下的电化学腐蚀

微孔层衰退是影响质子交换膜燃料电池寿命的重要因素之一,国内外学者对阴极微孔层衰退已经进行了广泛的研究。而电池在实际运行过程中极易发生反极,电池反极会使阳极产生高电势(1.6 V左右),可能会导致阳极微孔层衰退,目前关于阳极微孔层衰退的研究几乎没有报道。在电化学工作站上模拟了燃料电池阳极反极产生的高电势(1.6 V),对阳极微孔层电化学腐蚀进行了研究。研究发现,在反极电势下腐蚀后,微孔层疏水性急剧降低、MPL表面形成明显的孔洞、孔径减小且电池性能急剧下降,这表明微孔层发生严重的碳腐蚀,严重降低微孔层的水管理能力。该研究结果对开发抗反极微孔层具有重要意义。

质子交换膜燃料电池微孔层在反极过程中的耐久性研究

微孔层在启停、反极等高电位下的电化学腐蚀是影响质子交换膜燃料电池寿命的重要因素。目前关于微孔层的腐蚀研究多数是采用离线测试方法模拟反极过程的高电位,研究结果显示微孔层在高电位下碳腐蚀严重,接触角明显减小,且对电池性能造成严重影响。但是实际反极测试结果与离线测试结果相悖。本工作通过在线反极测试研究微孔层在反极过程中的耐久性,评价反极前后微孔层对电池性能的影响机制。此外,对比分析在线反极和传统的离线试验过程与结果发现,由于离线测试时微孔层是浸泡在电解质溶液中,电解质增加了微孔层的质子传导能力,从而加快了碳腐蚀速率,而在线反极试验过程中微孔层并没有出现明显的碳腐蚀,因此传统的离线高电位腐蚀试验并不能模拟真实的反极电化学腐蚀过程。通过设计一种带有电解质的微孔层,进一步研究在线反极过程中电解质对碳腐蚀的影响,验证了在高电位下电解质的存在能够促进碳电化学腐蚀反应的发生。

频繁反极对燃料电池膜电极抗反极能力及性能影响

质子交换膜燃料电池中发生的反极现象严重制约了其寿命,目前国内外研究者聚焦于膜电极的一次抗反极能力,而反极事件极有可能在整个燃料电池电堆运行期间频繁发生。在单电池上模拟电堆反极的状态并对阳极添加有氧化铱催化剂的抗反极膜电极进行多次反极实验,采用一系列电化学诊断工具和扫描电镜来研究其反极行为和性能衰退情况。结果表明膜电极的抗反极时间随着经历反极次数增多而急剧缩短。在经历三次反极后,电池功率密度衰退了近50%,阳极电化学活性面积降低了63.4%,而阴极侧仅降低了5.5%,此时阳极活化极化对电池性能的影响不可忽视,电池在800 mA/cm2时内阻增加为原来的3倍。扫描电镜观察到碳载体被严重腐蚀,催化层结构坍塌,反极使得阳极催化层厚度减薄了约50%,氧化铱颗粒发生了明显团聚。该研究结果对于设计可靠、耐久的抗反极膜电极具有重要意义。

燃料电池用质子交换膜退化机理研究进展

近年来,质子交换膜燃料电池技术随着新研究方法的出现得到了快速的发展。对质子交换膜退化机理的深入理解及对质子交换膜寿命及长期性能的改善已成为质子交换膜燃料电池商业化的前提。因此,相关研究成为目前燃料电池研究的热点。综述了全氟磺酸质子交换膜物理、化学退化机理方面的研究进展及近年来在提高质子交换膜耐久性方面的研究工作。

基于卡尔曼增益动态修正的动力电池SOC估算

扩展卡尔曼滤波法(EKF)被认为是一种精度较高的电动汽车动力电池荷电状态(SOC)估算法,但是观测方程误差会对SOC估算结果带来影响。对EKF滤波过程进行改进,根据观测方程的误差对原EKF滤波过程增设动态卡尔曼增益修正系数,提出基于卡尔曼增益动态修正的动力电池SOC估算法。仿真结果表明EKF法可以有效克服SOC初始值不准确所造成的估算误差,动态卡尔曼增益修正系数可以进一步减小由于观测方程误差造成的SOC估算误差,使估算误差保持在5%之内。

高电位下PEMFC阴极催化层Pt对碳腐蚀的影响

结合非色散红外光谱(NDIR)和电化学表征的方法研究了质子交换膜燃料电池阴极催化层在0.8 V恒电位下,碳腐蚀的变化规律及其对Pt氧化过程的依赖性。研究发现0.8 V恒电位下,Pt会导致碳载体的腐蚀更加剧烈。运行100 h后,Pt/C电极的碳损失质量达到8.7%,是纯碳电极的3.5倍。Pt/C电极的碳腐蚀规律可以分为三个阶段,第一阶段呈对数增长,第三阶段呈线性增长,中间存在混合增长区。而Pt氧化物累积量分析表明Pt的氧化呈现出两段对数关系,且中间存在一个过渡区,这解释了碳腐蚀的三段规律。活跃的Pt-OH催化碳腐蚀,并快速转化成PtO_(x)等惰性氧化物,大幅降低对碳腐蚀的促进作用,当Pt-OH含量稳定后,碳腐蚀速率达到稳态。电位阶跃工况下,Pt氧化物增长速度明显降低,碳载体质量损失达到了15.55%,几乎是恒电位工况的2倍,表明控制Pt氧化物累积速度会加速碳载体的腐蚀。

薄膜PEMFC无加湿运行工况区间研究

为探究相对湿度对薄膜质子交换膜燃料电池性能的影响,建立了阴阳极流场流道相互垂直形式的薄膜燃料电池三维稳态模型进行模拟研究,同时以相同结构的电堆进行实验验证。结果表明:对于12μm薄膜质子交换膜燃料电池(PEMFC),在一定背压(100~250 kPa)与温度范围(70~90℃)内,以及阴极相对湿度为0/100%、阳极相对湿度为0运行时,I-V曲线上存在加湿后性能提升、不变及下降三个区间;加湿后性能提升与不变区间随温度升高而减小,随压力增大而增大;加湿后性能下降区间随温度升高而增大,随压力增大而减小。在80℃、150 kPa条件下,电池在低于1200 mA/cm^(2)运行,加湿后性能略有提升,在1200~1400 mA/cm^(2)加湿后性能没有变化,在高于1400 mA/cm^(2)加湿后性能下降。说明该结构的电池可以实现无加湿运行。

PEMFC催化层疏水性对冷启动冰容量的影响

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)冷启动问题是制约其产业发展的重要因素之一,其中冰容量是衡量冷启动的一个重要指标,冰容量越大,冷启动性能越好。普遍认为冰容量只受阴极催化层和质子交换膜的储水量影响,而忽视了催化层排水量。提出催化层排水量也会对冰容量产生较大影响,并首次将冷启动期间催化层排水量纳入冰容量计算。结合试验数据和理论计算分析发现催化层排水量对冰容量的贡献甚至可以达到50%。利用疏水碳载体催化剂提高催化层疏水性,研究催化层疏水性对排水量和冰容量的影响。结果发现在−7℃下,疏水处理后的膜电极排水量增大引起的容量增加了0.75 mg/cm^(2),提升幅度达到了38.2%。这表明提升催化层疏水性、增加排水量可以提升冰容量,并且启动温度越高提升幅度越大。最后,冻融循环(F/T)测试表明疏水性高的催化层冰容量更加稳定。

基于GCN-LSTM的高精度燃料电池性能退化预测模型

深度学习因其能够深入挖掘传感器采集的机器退化信息,在质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能退化预测中取得了成功。然而,这些方法更侧重于时间相关性,而忽略了传感器的空间相关性。作者提出一种结合图卷积神经网络与长短期记忆网络(GCN-LSTM)的模型,该模型考虑了时间及空间相关性。首先,通过构建传感器网络融合多源数据。其次,运用GCN分析多源数据,提取空间特征。最后,通过LSTM学习时间特征,预测PEMFC性能退化。基于IEEE数据集验证了所提出的模型,拟合系数R^(2)在0.99以上。与仅考虑时间相关性的传统方法相比,均方根误差(RMSE)最大降低75.7%,预测精度得到了提升。

PEMFC启停工况下的阳极氢空混合区域分析

质子交换膜燃料电池在启停工况下,一般认为,阳极流道中形成氢空界面,产生阴极高电位,导致阴极材料发生电化学腐蚀。实际上,氢气与空气接触时会发生对流与扩散,阳极流道中将形成氢空混合区域。通过推导氢空混合区域的运动学模型与电解质电势分布数学模型,进行氢空混合区域范围、时间及电解质电势数值计算。结果表明,氢空混合区域导致的阴极高电位持续时间远超氢空界面存在时间;对应的电解质电势为-0.304~-0.260 V;氢空混合区域的分布范围与持续时间受入口气体流速及流道当量直径影响;当量直径每增加0.1 mm,混合区域最大值将增加4 mm,整体阴极高电位的持续时间将延长1.25%。以上结果为阳极流场的设计和启停工况下的控制策略提供了理论依据。

基于不同商业化炭黑的PEMFC微孔层的耐腐蚀性能

反极产生的高电位会对微孔层造成不可逆的碳腐蚀损伤,严重缩短了PEMFC的寿命,因此研究由反极引发的微孔层中的碳腐蚀问题对强化PEMFC耐久性具有重要的科学意义。选择4种不同石墨化程度的商业化炭黑制成微孔层,分析其高电位腐蚀前后的性能。结果表明提高炭黑的石墨化程度、降低其比表面积,腐蚀后GDL表面亲疏水性、表面形貌、孔结构等物理性质的退化程度有所缓解,单电池性能的衰退程度也减轻。四种炭黑的抗腐蚀强度为乙炔黑>XC-72>科琴黑>BP2000,由乙炔黑制备的GDL经过电化学腐蚀后各项物理性质几乎没有退化,单电池性能衰退程度较低。这为开发具有优异抗反极能力的阳极微孔层,提高PEMFC耐久性提供重要的理论依据。

不同衰退机理对PEMFC怠速工况性能衰退影响的模拟研究

分析质子交换膜燃料电池(PEMFC)怠速工况衰退机理,确定怠速工况不同衰退机理对燃料电池模型参数的影响,采用所建立的PEMFC二维等温多物理场模型,仿真研究燃料电池在怠速工况衰退前后的性能及各种衰退因素对电压衰减量的贡献和内部反应气体分布变化。研究结果表明,阴极活化损失增大是怠速工况下最重要的衰退因素,其次是开路电压衰退,影响最小的是阴极电化学活性面积衰退;在相同操作条件下,衰退后燃料电池的最低氧气摩尔浓度和最低氢气摩尔浓度上升,电流密度分布不均匀现象加剧。

基于机理模型的PEMFC老化模拟研究

为了研究燃料电池汽车运行工况对燃料电池老化的影响,提出了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)老化机理模型,并与经试验验证的PEMFC多物理场模型耦合,建立了能预测燃料电池性能衰退的老化模拟器。利用该老化模拟器,模拟研究了在城市公交车运行基准循环工况和所设计的加速老化循环工况下燃料电池性能衰减情况。结果表明,所建立的老化模拟器能预测公交车燃料电池运行工况对燃料电池老化的影响,燃料电池在所设计的加速老化循环工况下的电压衰退速率约为基准循环工况的2倍。

循环压缩对PEM电解池性能的影响

针对质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell, PEMEC)组件在使用过程中可能会发生损坏,需要重复装配和拆卸电解池进行更换或维修操作等问题,研究了循环加载压力对PEM电解池性能的影响,对循环试验前后的多孔扩散层(porous transport layer, PTL)表面形貌进行了SEM(scanning electron microscope)电镜表征.结果表明:循环压缩后,PTL的结构发生不可逆的变化,从而影响电解池的性能;在高电流密度区间,电解池性能受循环压缩影响幅度呈现缓慢下降趋势;在较高夹紧压力下,循环压缩次数的增加对电解池性能影响逐渐减弱,适当提高装配压力可以减小重复装配对电解池性能的不利影响.

聚合物电解质膜水电解器用质子交换膜的研究进展

聚合物电解质膜水电解器(PEMWE)是一种清洁环保的电解水制氢技术,具有效率高、氢气纯度高、无污染、能耗低等特点,在再生能源领域具有非常广阔的发展前景。质子交换膜是PEM水电解器的核心关键材料,是膜电极的心脏部件,但质子交换膜的成本和性能大大限制了其商业化发展。因此,寻找和开发新型材料成为解决这两大问题和推进商业化进程的必然选择。本文首先介绍了PEMWE用质子交换膜的特性,然后通过对全氟磺酸质子交换膜的改性、合成有机/无机纳米复合质子交换膜和无氟质子交换膜研究方向的原理、特点、应用实例和新进展等方面的分析,阐述了不同研究方向的优势和存在的不足。通过对上述3个主要研究方向的概括和评述,认为无氟质子交换膜,尤其是嵌段型无氟磺化质子交换膜,是PEM水电解器用质子交换膜今后的发展方向。

燃料电池薄膜在不同电流密度下的水传递规律

为了提高燃料电池的性能而采用的质子交换膜越来越薄,但薄膜会带来水的反渗透而导致阳极水淹问题.为了研究低加湿条件下不同电流密度燃料电池薄膜的水传递规律,设计了三维简化电池模型并导入FLUENT软件,在工作温度75℃、操作压力150 kPa、阴极不加湿条件下进行了气流场及电化学模拟计算,并设计露点仪水平衡实验测试实际情况下水的传输通量,与模拟计算数值进行对比分析.研究发现使用15μm薄膜,电流密度增大到超过0.4 A/cm^2以上并继续增大时,会持续发生总水量传递通量朝向阳极的现象,而当电流密度大于3.0 A/cm^2时,这一现象将减缓.同时研究还发现越薄的质子交换膜传递的总水量将越多.

单冷却流道冷却双膜电极的电堆结构研究

用流体力学软件,研究一种单冷却流道冷却双膜电极的新型电堆结构.与传统结构相比,该结构减小了电堆的体积.结果表明,在大电流密度、阳极低加湿、阴极不加湿、阴阳极背压均为150kPa,以及不同冷却介质流量下,该新型电堆结构的输出电压比传统电堆结构的输出电压略低,电堆结构膜中的平均温度高10K,以致膜的含水量降低了0.5,膜的面积比电阻增大了10mΩ·cm2.该新型结构通过牺牲较小的输出电压,减小了电堆的体积、优化了电堆结构.

电化学腐蚀对气体扩散层氧传质的影响

通过离线加速实验对气体扩散层进行了不同时间的电化学腐蚀,并且利用极限电流密度来评估电化学腐蚀对气体扩散层氧气传输阻力的影响。结果表明,经过电化学腐蚀后,气体扩散层的干区明显变窄,氧传质阻力显著增大,在相对压力为150 kPa、氧摩尔分数为21%时,经过48 h和72 h电化学腐蚀的气体扩散层的氧传质阻力分别约增大了61.82 s/m、95.62 s/m。采用扫描电镜研究了气体扩散层的形貌变化,通过接触角的变化分析了加速电化学腐蚀后气体扩散层水管理能力下降的原因。