质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。

车用燃料电池散热性能实验研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为能效转换率高、清洁可靠的发电装置,在交通、储能、航天及军事等领域有着广泛应用。为了解决质子交换膜燃料电池散热密度高、发热量大、散热效率低等突出问题,本文针对散热量为15 kW的质子交换膜燃料电池,设计并搭建了一套具有四种不同流程换热器的车用燃料电池散热系统实验台。分别使用两相冷却工质HFE-7100和乙二醇水溶液作为冷却工质,探究了在35℃的高温环境中,两种工质在不同流程换热器和不同工质流量下的散热性能和系统能效比(Energy Efficiency Rating, EER)。结果表明,在相同的流程下,采用HFE-7100两相散热方式相对于采用乙二醇水溶液液冷散热方式散热量提升率在81.2%~98.8%之间,系统EER提升率在68.2%~88.6%之间。且在4种不同流程下,3流程的系统散热效果和节能效果最佳,两相工质HFE-7100散热量和系统EER分别达到14.4 kW和20.5 kW/kW,液冷工质乙二醇水溶液散热量和系统EER分别达到7.7 kW和12.1 kW/kW。冷却工质流量为4 L/min时,系统节能效果较好,其两相和液冷散热系统EER分别能达到20.9 kW/kW和10.5 kW/kW。

热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统耦合特性

为了减少工业烟气中余热与CO_(2)的排放,本文提出了热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统(TRBCO_(2)RR)。该系统通过串联多个非水系热再生电池(thermally regenerative battery,TRB)构建电堆,并将其用于驱动CO_(2)电化学还原(electrochemical reduction of CO_(2),CO_(2)RR)。本文研究了CO_(2)电化学还原特性、非水系TRB电堆性能及非水系TRB-CO_(2)RR系统耦合特性。研究结果表明,碳纸负载纳米银多孔电极上催化剂分布较为均匀,在-1.8V电位下(对应的槽电压为5.1V)表现出最佳的电化学还原CO_(2)性能,其CO法拉第效率达到了最佳值78.7%。为此,构建了6个子电池的串联电堆,开路电压达到7.2V左右,最大功率为235mW,在34min内放电相对稳定。运行非水系TRB-CO_(2)RR耦合系统后,电堆未出现反极现象,CO法拉第效率(73.1%)接近稳定电源所获得的最佳值。未来研究可通过优化催化剂和电堆设计,有望进一步提高耦合系统CO_(2)RR转化效率。

富锂层状氧化物正极材料的微观结构调控及其性能研究

通过调整富锂层状氧化物正极材料的元素组成,实现对其体相结构内的类Li_(2)MnO_(3)相晶畴分散度的调控。通过结合高功率X射线衍射和球差电镜证明了Li_(1.08)Ni_(0.225)Co_(0.225)Mn_(0.450)O_(2)材料具有高度分散的类Li 2MnO_(3)相晶畴,同时原位微分电化学质谱测试证明了具有高度分散的类Li_(2)MnO_(3)相晶畴的富锂层状氧化物正极材料可以成功抑制晶格氧的释放。电化学测试表明:微观结构的调控虽然可以提高材料的首次库伦效率和平均放电电压,但同时也降低了晶格氧的活性,减少了放电比容量。在循环过程中晶格氧稳定性的提高减轻了结构的退化程度,富锂层状氧化物正极材料表现出更优异的循环稳定性和更缓慢的电压衰减。此外,晶格氧稳定性的提高还改善了材料的热稳定性。

基于实际工况的燃料电池水气传输及相变规律研究

利用CFD软件建立二维多相质子交换膜燃料电池单电池模型,对不同工况下质子交换膜燃料电池内部水气传输及相变过程进行仿真。在试验验证及元无关性验证的基础上,分析起步工况、加速工况、急停工况下的质子交换膜燃料电池内部状态变化。研究结果表明:当电流密度为1500 mA/cm^(2)时,质子交换膜燃料电池功率密度达到最大值654.9 mW/cm^(2);起步工况下,质子交换膜燃料电池内部反应会在达到额定功率10 s后逐渐达到平衡;加速工况下,三次方加速模式的最低液态水饱和度界面、水-气相界面的持续时间最长;急停工况下,质子交换膜燃料电池的突然停机会使得其仍保持与停机前相近的状态。

第一性原理研究硼掺杂氧化石墨烯对过氧化锂氧化反应的催化机理

锂-氧电池由于高能量密度在后锂离子电池中脱颖而出,而放电产物过氧化锂缓慢的氧化反应降低了电池的循环性能.因此,提高过氧化锂氧化反应动能、降低充电过电位对于实现高能量密度的可逆锂-氧电池具有重要意义.本文通过第一性原理计算,对比研究了氧化石墨烯(GO)和硼掺杂氧化石墨烯(BGO)对过氧化锂小团簇(Li_(2)O_(2))_(2)氧化反应的催化机理.结果表明,从(Li_(2)O_(2))_(2)团簇转移到GO和BGO上的电荷分别为0.59 e和0.96 e,B掺杂提高了电荷转移.4电子反应过程表明,(Li_(2)O_(2))_(2)团簇倾向于Li-O_(2)-Li分解路径,在GO和BGO上反应的速率决定步均是第三步去锂.在平衡电位下,GO和BGO的充电过电位分别是0.76 V和0.23 V,B掺杂大大降低了锂-氧电池充电过电位.机理分析表明B与O对(Li_(2)O_(2))_(2)团簇起到了协同催化的作用.

用于一体化电极的碳布改性综述

由于碳布密度低、柔性高且导电导热性好,在电子器件中应用广泛。当碳布与其他材料复合时,为获得所需的性能,需对其进行改性处理。总结对当前用于电子器件中一体化电极的碳布进行改性的主要方法。从去浆、形貌处理和活性处理等3个方面进行介绍,并指出每种改性方法的优缺点和选用需考虑的要点。液相反应法对表面活性改变显著,但往往会降低电导率;热空气处理法对形貌改变显著,但操作过程复杂。液相氧化、热空气氧化和高温碳化相结合的改性效果可以更好,形貌改性和活性改性同时进行,可能会得到更好的综合性能。将碳布与活性物质直接复合制成一体化电极而完成改性处理,由于效率高可能成为改性技术的发展趋势。

ABPBI/SPEEK高温质子交换复合膜的制备与表征

采用溶剂蒸发法制备聚(2,5-苯并咪唑)/磺化聚醚醚酮(ABPBI/SPEEK)高温质子交换复合膜。考察了SPEEK的掺入对ABPBI/SPEEK质子交换复合膜的结构及性能的影响。结果表明,ABPBI膜和ABPBI/SPEEK复合膜在高温下的热稳定性能良好;随着SPEEK的掺入,ABPBI/SPEEK复合膜有更好的氧化稳定性和机械性能,ABPBI/SPEEK(20%)复合膜在芬顿试剂中96 h后的质量损失为0.84%,其拉伸强度为120.51 MPa,相较于Nafion 117膜明显提高;ABPBI/SPEEK(20%)复合膜的酸掺杂率为186.68%,该膜在160℃、0%RH时的质子电导率为3.4 mS/cm,约为ABPBI膜的1.78倍。

基于电-热特性的质子交换膜电解槽模型研究进展

“电-氢”转换为能源领域低碳转型提供了一种新型、绿色、高效的解决方案,质子交换膜电解槽因具备产氢纯度高、制氢效率优、高度集成化以及与波动性电源耦合程度好等优点而备受关注,模型构建是对其机理研究、特性分析、系统运行控制模拟的重要手段。基于质子交换膜电解槽电化学特性和热传输特性,对国内外已有的质子交换膜电解槽电化学模型和热传输模型建模方法进行综述,并简要分析多物理场耦合模型研究进展,对未来质子交换膜电解槽建模研究发展方向进行展望。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

基于Na-BP-DME@C阳极的长寿命准固态钠-空气电池

钠-空气电池因其能量密度高、成本低而成为金属-空气电池领域的研究热点。然而,以金属钠为阳极的钠-空气电池存在钠枝晶生长、金属钠界面稳定性差以及金属钠的反应活性高等问题,限制了钠-空气电池的快速发展。为解决上述问题,将联苯钠与导电炭黑复合材料Na-BP-DME@C作为阳极,单壁碳纳米角(SWCHNs)作为催化剂,构建准固态钠-空气电池。基于Na-BP-DME@C阳极的准固态钠-空气电池表现出优异的电化学性能,其电压差为1.5 V,功率密度为3.32 mW/cm^(2),在0.1 mA/cm^(2)电流密度下可稳定循环459 h(约459次)。

加长加宽的PEMFC电堆应力分布一致性仿真与优化

质子交换膜燃料电池可以通过扩大电堆的活性区域反应面积来获得更高的功率,但电堆反应面积扩大后,容易导致膜电极应力分布的不均匀性增加,从而引起燃料电池电化学性能的下降.为此,本研究设计了4种不同结构尺寸的燃料电池电堆,结合等效刚度模型法和有限元软件,分析了扩大反应面积的电堆结构对膜电极应力分布均匀性的影响,并进一步优化电堆内钢带的安装位置,以提升电堆内部接触压力分布均匀性.研究结果表明,膜电极接触压力分布的均匀性对反应区域宽度的变化较为敏感,当活性区域尺寸加宽,电堆内部活性区域的平均应力标准差增加了23.2%.而当活性区域加长,或同时加长和加宽时,相应增加一根捆扎钢带使电堆内部活性区域的平均应力标准差分别减小了8.6%和8.7%,表明适当增加捆扎钢带的数量可以提高电堆内部接触压力分布的均匀性.此外,钢带位置优化结果显示,电堆外侧钢带越靠近端板侧面时,电堆内部活性区域的应力分布越均匀.

直接甲醇燃料电池中碳基载体材料的研究进展

甲醇氧化电催化剂是决定直接甲醇燃料电池(DMFCs)性能、寿命与成本的关键。为获得高功率密度和低生产成本的DMFCs,设计合成组成、结构、形貌可控的阳极催化剂备受关注。阳极催化剂的颗粒尺寸、粒径分布、形貌结构、稳定性、分散性以及催化活性都与载体息息相关,而碳基载体材料由于其优异的性能已广泛应用于DMFCs中。首先,介绍了酸性环境和碱性环境中甲醇氧化反应的机理;然后,对不同形式的碳基载体材料,如炭黑、介孔碳、碳纳米材料、氧功能化碳、杂原子掺杂碳以及金属氧化物改性碳作为催化剂载体在DMFCs中的应用进行了综述;最后,对DMFCs的发展趋势进行了展望。

基于不同能量回收模式的燃料电池系统性能增益研究

为减小燃料电池进气增压寄生功、提高系统效率,建立了以径流涡轮回收阴极排气能量的高功率燃料电池电化学、动力学与热力学系统模型,修正了基于NTU-ε法的中冷器性能预测方法,研究了单级增压−能量回收与顺序增压−能量回收模式下径流涡轮回收燃料电池阴极废气能量的效能.结果表明,整体能量回收效率随着电堆负载电流增加呈降低趋势;相比于单级增压−能量回收模式,在额定工况点与非额定工况点下顺序增压−能量回收模式的能量利用率增益显著.优化后的运行方案阴极排气能量利用率最高可提升28.9%,系统效率提升幅值达2.79%.

采用改进矩阵型可重构拓扑的锂离子电池均衡策略

为解决串联锂离子电池组中各电池特性(或参数)不一致性问题,提出了一种采用改进矩阵型可重构拓扑的锂离子电池组均衡策略。将电池组中各电池的荷电状态作为均衡目标参数,通过开关矩阵控制电池小组在串联与并联拓扑之间来回切换,实现各电池单体及电池小组之间的均衡,并通过隔离荷电状态最低的电池单体或电池小组加快均衡速度。使用MATLAB/Simulink软件进行仿真,并与原矩阵型可重构均衡策略进行对比,仿真结果表明:与原矩阵型可重构均衡策略相比,改进均衡策略在负载为10、20和40 W时可分别提升13.1%、27.1%和30.1%的均衡速度;在考虑开关导通电阻时,所提出的改进均衡策略在均衡过程后期通过荷电状态差值造成的电压差加速了均衡过程,在导通电阻较大时仍能有效均衡电池组,有效地避免了原矩阵型可重构均衡策略的均衡效果随导通电阻增大而变差,甚至无法均衡电池组的缺陷,成功达到均衡目标。由此证明所提的改进矩阵型均衡策略相较于原矩阵型均衡策略具有更好的均衡效果。

Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦基DC-SOFC性能的影响

半焦与CO_(2)的气化反应速率是影响半焦燃料基DC-SOFC电池性能的关键。为提高半焦的CO_(2)气化反应性,采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了具有钙钛矿结构的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂,用SEM、XRD、XPS、低温氮气吸脱附等分析手段研究了Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂的形貌和结构,采用热重分析实验研究Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦燃料的CO_(2)气化反应催化活性;在Ag-GDC|YSZ|GDC-Ag电解质支撑电池系统上,研究了添加Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂对半焦燃料基DC-SOFC输出性能的影响。结果表明,随着催化剂焙烧温度的提高,Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂晶粒尺寸逐渐增大、比表面积降低,750℃焙烧的催化剂具有良好的分散性、颗粒尺寸约为0.1μm,在半焦的CO_(2)气化反应中催化作用最好;相较于CaO和Fe2O3,Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂结构中吸附氧浓度更高,在半焦的CO_(2)气化反应中表现出更为优异的催化活性;Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂的循环稳定性取决于催化剂结构的热稳定性,其循环使用时活性降低主要归因于半焦燃料中无机灰分的包裹。催化剂对DC-SOFC输出性能影响表明,当半焦中添加10%的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)催化剂时,电池的峰值功率密度从15.3 mW/cm^(2)增大到23.7 mW/cm^(2);EIS分析表明阳极传质阻力是影响DC-SOFC输出性能和燃料利用率的主要因素,降低灰分、催化剂累积带来的传质阻力可有效提高电池寿命和燃料利用率。

燃料电池系统建模与供气系统控制方法

为了研究燃料电池系统的特性以及空气系统对燃料电池特性的影响,利用Simulink仿真软件对燃料电池系统进行建模,模型包括电压模型、空压机模型、阴极模型、阳极模型.分别通过前馈比例-积分-微分(proportional-integral-differential, PID)和模糊PID对燃料电池空气系统进行控制.结果表明:在负载电流变化时,前馈PID和模糊PID都能够使过氧比达到设定的常数值2.0附近,但模糊PID比前馈PID响应更快,且模糊PID控制下的燃料电池输出功率波动较小,燃料电池系统更加稳定.

锂离子电池负极材料银纳米线的锂化机制

为了探究银纳米线在不同工作电压下的锂化机制,借助原位透射电子显微镜的高分辨技术和电子衍射技术,研究了在不同的工作电压条件下,银纳米线在锂化过程中的相变过程和形貌变化。结果表明:金属银用于电池负极材料时,其工作电压对电极材料的活性有较大影响;银在低工作电压下的储锂量大,电极材料不易失效;当工作电压为-1 V时,Ag纳米线在储存锂离子过程中会先变成LiAg相,无明显体积形变;后续随着锂化时间增加,Li_(x)Ag合金中x>1时,纳米线粉碎化,生成Li3Ag、Li9Ag4相;当外加的电压为-2 V时,锂离子会快速在纳米线表面运输并与Ag发生反应,导致纳米线破碎。

棉线基甲酸盐微流控燃料电池的性能测试

搭建了以棉线为流道材料的甲酸钠微流控燃料电池,利用电化学工作站测试了燃料的量、电解液的量及电极结构这三种因素对燃料电池性能的影响。结果显示:在电极结构相同的情况下,燃料的量与电解液的量均为1 mol/L时燃料电池性能较好;控制甲酸钠与氢氧化钠的量均为1mol/L,对比不同电极组合的燃料电池性能得到当阳极为石墨管电极,阴极为石墨棒电极时电池性能最佳,其最大功率密度可达85.66μW/cm^(2)。

SA-PQ-11/CF阳极提高MFC废水处理效果与发电性能

为提高微生物燃料电池(MFC)的废水处理效果和发电性能,制备了一种海藻酸钠(SA)-聚季铵盐-11(PQ-11)/碳毡(CF)阳极(SA-PQ-11/CF),分别以制药废水和糖蜜废水为阳极液,以CF为阴极,构建了MFC系统,采用SEM对阳极表面形貌进行了表征,通过循环伏安(CV)特性和电化学阻抗(EIS)特性、化学需氧量(COD)去除率对其性能进行了考察。结果表明,SA-PQ-11/CF阳极具有较大的比表面积,MFC的溶液电阻和电荷转移电阻得到明显降低。阳极液为制药废水时,采用SA-PQ-11/CF阳极的MFC的稳态输出电压和COD去除率分别约为0.22 V和62%,较常规CF阳极的MFC分别提高了100%和130%;阳极液为糖蜜废水时,采用SA-PQ-11/CF阳极的MFC的稳态输出电压和COD去除率分别为0.15 V和43%,分别较采用常规CF阳极的MFC提高了275%和95%。