空间氢氧燃料电池技术发展现状与趋势分析

针对空间应用场景下的能源需求,对空间氢氧燃料电池技术现状和发展趋势进行分析,总结国内外在空间氢氧燃料电池发电技术的发展趋势,面向利用液氢液氧推进剂的一次燃料电池以及月面可再生电池应用场景,对多种空间电源技术方案进行对比,发现空间氢氧燃料电池在运载火箭上面级推进剂利用、月面探测能源系统、月球原位资源利用、长时间月面驻留等应用场景具有较高潜力。通过分析空间应用场景下氢氧燃料电池电源系统特点,对未来空间氢氧燃料电池技术发展趋势,空间氢氧燃料电池技术发展方向提出展望。

质子交换膜燃料电池用不锈钢双极板氮化Cr镀层的耐蚀性

采用液相等离子体电解渗氮技术在镀有纯Cr镀层的316L不锈钢双极板上进行短时的氮化处理。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对Cr氮化镀层的形貌和成分进行了表征,采用电化学试验测试了其耐蚀性,并测量了镀层的界面接触电阻(RIC)。结果表明:Cr氮化镀层的表面呈现出凹凸不平的胞状结构、层镀为非晶相结构;与基体试样相比,Cr氮化镀层的腐蚀电位明显更高(约为+600 mV),腐蚀电流密度比不锈钢基体降低两个数量级,耐蚀效率为99.67%;Cr氮化镀层的RIC为13.7 mΩ·cm^(2),导电性能良好。

基于三维非等温多相模型的质子交换膜燃料电池局部传质机理

为使质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的电极反应物和电极产物有一个更加稳定与均衡的分布,在燃料电池传统阴极蛇形流道的基础上,对其U形转弯入口及出口处进行渐缩渐扩处理,使流道U形转弯处侧壁形成一定角度的坡面,并建立了缩放坡面流道的单电池三维数值模型。对比研究了不同几何参数对流道内液态水动力学行为、排水效率、反应气体质量分数、电池最大功率密度的影响,结果表明坡面结构在一定程度上引导了液滴的流动路径,使流道底面的气体扩散层(GDL)附近气流扰动增强,氧质量分数和电流密度分布更加均匀,最大功率密度得到了明显提高,整体上提高了PEMFC内部的传质能力。

IrO2对于质子交换膜燃料电池反极的影响研究

采用外加电源模拟燃料电池反极,通过极化曲线和电化学交流阻抗(EIS)测试分析反极前后电化学性能和电阻变化。常规Pt/C电极4次反极后,0.5 A/cm^2电流密度下,电压下降274.2 m V,说明反极对其造成致命伤害,性能急剧衰减。在催化层引入IrO2,经过4次反极,性能无明显衰减,说明加入IrO2具有明显的抗反极作用,尤其是氢气侧加入Ir O2后具有较好的抗反极能力,经过4次反极测试后,电压下降小于9.6 m V。分析了IrO2在反极中起到抑制作用的原因。

高温质子交换膜燃料电池电堆稳定性分析与优化

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)应用前景广阔,但是目前HT-PEMFC电堆寿命较短。为此,本文对一个百瓦级空冷HT-PEMFC电堆的稳定性进行了研究。恒电流测试结果发现电堆中间位置单电池电压的衰减速率是两端的5~10倍。XRD、TEM测试结果表明电堆不同位置单电池催化剂Pt粒径变化较小,而极板吸酸量滴定与欧姆极化损失分析结果表明中间位置单电池磷酸流失速率是两端的2~3倍,导致其内阻是两端的5~8倍,膜中磷酸的流失迁移至电极导致氧增益电压比两端增加41~102mV。综上,电堆中间位置单电池磷酸流失过快是导致电堆寿命缩短的主要原因,而电堆温度分布不均则是磷酸流失过快的主要原因。因此,若要提高电堆的寿命,关键要从电堆磷酸与热的管理方面进行优化。

质子交换膜燃料电池堆流量分配特性的参数分析

利用Space Claim建立质子交换膜燃料电池堆的二维模型。为简化求解过程,采用多孔介质模型模拟反映气体在电池堆中的流动情况,并通过Fluent软件对模型进行求解。探究质子交换膜燃料电池堆的结构参数和运行参数、单电池数量和单电池厚度对反应物流量分配均匀性的影响。研究结果表明:靠近电池堆集流道入口段的单电池反应气体流量较大,而靠近盲端的单电池反应气体流量较小,这是集流道进出口压差不同所致;仅增加集流道高度、等截面增加集流道高度以及增加单电池压降能改善电池堆中反应气体分配均匀性,而增加电流密度则起反作用;随着单电池数量增加,流量分配均匀性显著减小,而减小单电池厚度对电池堆中反应气体分配均匀性影响较小。

磷酸掺杂聚苯并咪唑类高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)因耐CO能力强,可用重整气直接进料,水热管理简单等,可有效解决氢源问题,助力双碳目标的实现。作为HT-PEMFCs的核心部件,高温质子交换膜(HT-PEM)近些年来备受关注,特别是最具应用前景的磷酸掺杂聚苯并咪唑(PA-PBI)电解质膜。本文综述了PA-PBI电解质膜的种类、制备工艺、质子传输机制以及性能、寿命方面的研究进展;着重总结了PA-PBI电解质膜在性能、寿命方面面临的挑战如高质子电导率与高机械性能的矛盾、成膜性差、磷酸流失过快、机械稳定性与抗氧化稳定性差等;重点探讨了提升PA-PBI电解质膜的手段如分子结构改性、接枝、交联、有机无机复合掺杂等;展望了PA-PBI电解质膜的未来发展方向。