气体扩散电极参数对阴离子交换膜燃料电池性能的影响(英文)

优化了碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)使用的气体扩散电极(GDE),发现催化层中PTFE含量与催化剂担载量对电池性能与其电化学动力学特征影响很大.采用i-V曲线,开路电压,电池内阻与在线的电化学阻抗谱与动力学分析,评估了所制GDE的电化学性能.在所研究的AAEMFC电极催化层中,PTFE的最佳含量是20%,Pt载量对膜电极三相界面、催化层导电性与催化剂利用率的影响极大.当制备的GDE催化层中Pt/C的Pt载量为1.0 mg/cm2,PTFE含量为20%时,AAEMFC的峰电流密度在50 oC达到了213mW/cm2.兼顾Pt催化剂的利用率与成本,在没有明显影响电池性能的情况下,Pt的担载量可降至0.5 mg/cm2.

阴离子交换膜燃料电池阳极催化剂的研究进展

阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)可使用非贵金属催化剂,且电极反应速率快。阳极催化剂的选择和制备对提高燃料氧化速率和燃料电池的电流密度及降低成本等有很大影响。本文从阴离子交换膜阳极催化剂的种类、制备方法,催化剂的载体等角度对阳极催化剂的研究现状进行分析。分析表明,在阳极催化剂中掺杂金属、金属氧化物或非金属氧化物,能充分发挥各元素的协同作用,从而提高催化剂的电催化性能;改进制备方法可以提高催化剂的比表面积,改变元素的分布。对催化剂载体进行改性以改善载体自身的孔径分布,提高比表面积和稳定性,或寻求导电性好、比表面积大、耐腐蚀的新载体材料(如SiC、Ti等),均可以提高催化剂的载量和催化剂在载体上的分散度等,从而提高阴离子交换膜燃料电池的性能。

基于冠醚改性脱乙酰甲壳素制备燃料电池用阴离子导电膜

在碱性条件下,借助三氯甲烷(CHCl_(3))将醛基引入二苯并-18-冠-6(DB18C6)中,制得二甲酰基二苯并-18-冠-6(DDB18C6);以DDB18C6与可溶性脱乙酰甲壳素(CTS)为原料,利用Schiff反应合成了小分子冠醚质量分数递增的接枝冠醚CTS膜,将其命名为C_(a)-CTS膜(a=m(DDB18C6)/m(C_(a)-CTS膜));将C_(a)-CTS膜于碱液中进行离子交换,C_(a)-CTS膜通过氧空穴结构吸附K^(+),进而制得C_(a)-CTSK膜;对各阶段的样品膜进行了结构表征和性能测试。结果表明,随着冠醚接枝度的增加,CTS的热稳定性得到改善;当a=0.20时,C_(0.20)-CTSK膜的接枝度可达43.91%,吸水率可达168.6%,IEC为1.38 mmol/g;在温度为70℃的条件下,C_(0.20)-CTSK膜的电导率可达46.8 m S/cm;冠醚的接枝引入改善了该系列膜的耐碱稳定性;C_(a)-CTSK系列膜在6 mol/L的KOH溶液中浸泡480 h,电导率降低幅度仅为4.0%。

天津大学先进内燃动力全国重点实验室副研究员刘鑫 研发燃料电池离子交换膜 共谱清洁能源新华章

面对不可再生能源消耗和全球性环境危机,人类对清洁能源的需求不断增加。我国提出“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的国家战略发展目标,旨在引领世界经济走向绿色健康发展。这对我国科研学者提出了新的挑战,他们迅速响应国家政策。

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。

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。

质子交换膜燃料电池多物理场建模及模型参数敏感性分析

受限于外部运行工况及内部多物理场参数的耦合作用机制,质子交换膜燃料电池的精确机理建模成为其研发和应用的瓶颈。该文通过探究燃料电池内部“电-热-流”多场耦合关系,构建准一维电堆动态模型,并基于单参数敏感性和多参数敏感性分析,得到不同模型参数的敏感度指标,完成了建模中部分关键参数的权重分析。为验证模型精度及耦合参数变动对输出特性的影响,在搭建Ballard NEXA 1.2 kW燃料电池测试平台的基础上开展变载及参数变动实验。结果表明,所构建的模型能够较为精确的模拟电堆特性,且对称因子、活化面积和压力系数的变动对电堆输出的影响较大。结果可为燃料电池电堆的测试及改型提供理论基础,并揭示电堆故障及老化过程中主要参数的衰退变化趋势。

交联剂在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用研究

碱性阴离子交换膜(AAEM)是碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)的核心组件。通过使用交联剂,可以提高AAEM的机械强度、稳定性和耐化学腐蚀等性能。本文对有机聚合物中加入不含亲水基团、含醚键及含阳离子基团等交联剂对AAEM性能的影响进行了总结,最后展望了未来的研究应该着重优化交联剂的选择和组合等,以促进AAEMFC的发展。

基于金字塔池化网络的质子交换膜燃料电池气体扩散层组分推理方法

针对质子交换膜燃料电池气体扩散层(gas diffusion layer composition,GDL)形貌划分与制备工艺改进问题,提出了一种基于金字塔池化网络(pyramid scene parsing network,PSPNet)与多层感知器(multi-layer perception,MLP)的气体扩散层组分识别与比例推理方法:首先将带标签的气体扩散层扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图片输入神经网络,得到特征图;得到的图像特征层进入金字塔池化模块后,获取SEM图像的深层和浅层特征;随后将深层和浅层特征图层融合输入全卷积网络(fully convolutional network,FCN)模块,得到预测图像;最后统计各个组分上的像素点比例,通过MLP完成组分比例推理。结果表明:所提方法组分识别像素准确率达81.24%;在5%偏差范围内,比例推理准确率为88.89%。该方法解决了气体扩散层多组分无法区分、比例无法获知的问题,可有效应用于气体扩散层的质检、数值重构以及制备工艺改进。

迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有广泛的应用前景。为了提升流道构型对于质子交换膜燃料电池的综合性能,通过建立一种三维单相、等温的圆形交错迷宫式流道质子交换膜燃料电池模型,分析新型流道对质子交换膜燃料电池的输出性能、阴极氧和水浓度分布及阴极进气流速的影响。结果表明,圆形交错式流道相较于矩形交错式流道和蛇形流道电流密度提升25%和143%,也可以明显的改善流道内反应物和产物的分布和输运。阴极进气流速的增加可以提升电池的性能,但也会带来其他额外的损耗。可见,圆形交错式流道可以有效提升输出性能,改善氧和水的分布。

基于NGO-CNN-BiLSTM神经网络的动态质子交换膜燃料电池剩余使用寿命预测

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)剩余使用寿命(RUL)预测精度不高的问题,提出了一种基于北方苍鹰优化(NGO)、卷积神经网络(CNN)和双向长短时记忆(BiLSTM)神经网络的动态燃料电池RUL预测模型。首先,利用NGO对CNN-BiLSTM模型的学习率、隐藏节点及正则化系数进行寻优,然后,通过CNN-BiLSTM模型的卷积层对输入数据进行特征提取,输入到BiLSTM层进行时序建模和预测。同时,利用小波阈值去噪算法对原始数据进行平滑处理,采用皮尔逊相关系数提取模型输入变量,并搭建NGO-CNN-BiLSTM神经网络功率预测模型。仿真验证结果表明,该方法预测精度达99.49%,高于其他对比模型的预测精度。

阳极闭口模式下质子交换膜燃料电池氮气渗透

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极闭口模式潜力巨大,但该模式下运行会引发氮气从阴极向阳极的渗透,导致阳极氢气的摩尔分数降低,PEMFC性能下降,针对这种情况可通过吹扫恢复PEMFC的性能。搭建了阳极闭口模式测试系统,在不同操作条件下进行阳极闭口模式实验,同时建立数学模型研究不同电流密度、化学计量比和温度下,电压和阳极氢气的下降速率以及传输到阳极的氮气积累量,提出实验与仿真结合的方法深入探究闭口模式下气体的传输规律,结果表明:当氢气摩尔分数为0.75时,电压下降到1.4 V,此时性能明显下降,提出相应吹扫策略:氢气摩尔分数在0.8时吹扫最为有效。

质子交换膜燃料电池在线监测方法研究进展

质子交换膜燃料电池作为一种高效、无污染的新一代发电技术在近年来得到广泛关注,但是其寿命问题依然严重制约其商业应用。通过对燃料电池状态进行在线监测来实现电池的快速故障诊断,是延长电池寿命的极有效的途径之一。本文对近年来质子交换膜燃料电池在线监测方向的文章进行了总结,并按照故障检测方法(包括极化曲线、循环伏安法、电化学阻抗谱等)进行分类讨论。同时,根据实际应用情况将单一检测方法和多种结合检测方法进行文献综述。另外,在总结现有的在线监测方法的基础上,本文提出了未来燃料电池在线监测需要解决的问题并进行展望。

质子交换膜燃料电池服役环境对TA1腐蚀行为的影响

选用纯钛(钛金属牌号TA1)为实验基材,通过动电位、恒电位、电化学阻抗谱(EIS)和模拟工况测试等方法研究了运行环境(温度、pH值、气体氛围)和运行工况(电位和模拟工况时长)对其腐蚀行为的影响,并利用光学显微镜(OM)、能量色散X射线能谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)、界面接触电阻(ICR)、接触角和表面粗糙度等测试方法,对不同时长模拟工况测试后TA1基材的表面形貌和性能进行了分析.结果表明,运行环境和运行工况对TA1耐蚀性均有影响,在10 h模拟工况测试后,TA1基材表面氧化层的堆积提高了其耐蚀性,腐蚀电流密度从2.62μA/cm^(2)降至0.94μA/cm^(2);其导电性和疏水性显著降低,与商用碳纸之间的ICR值从31.75 mΩ·cm^(2)增加至333.17 mΩ·cm^(2),接触角从86.28°减小至68.04°.

基于改进SSA-DBN的质子交换膜燃料电池水故障智能分类方法

为了实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统水故障的高效快速分类,提出了基于改进麻雀搜索算法(SSA)优化深度置信网络(DBN)的PEMFC故障分类方法。采用归一化处理消除故障数据参数之间量纲不同的影响,使用核主成分分析对数据进行故障特征提取,有效地缩减了原始数据维度,降低了运算复杂度,并避免低贡献度数据对故障分类造成干扰。引入柯西-高斯变异策略改进SSA,并利用SSA对DBN进行参数寻优,确定网络结构,通过优化后的DBN实现对PEMFC水故障的快速分类。对3 000组PEMFC水故障数据进行测试,结果表明:所提方法可以快速准确地识别PEMFC的正常状态、膜干故障、水淹故障3种健康状态;总体的分类准确率为98.67%,运算时间为0.89 s,相比支持向量机、概率神经网络方法,所提方法的故障分类精度分别提升了4%、3.34%,运算时间分别减少了15.35、0.35 s。

质子交换膜燃料电池核心部件分析

对质子交换膜燃料电池工作原理、结构进行分析,重点对质子交换膜燃料电池的双极板、质子交换膜、电催化剂、膜电极关键部件进行分析研究,质子交换膜燃料电池生产成本高是影响商业化普及的重要原因,未来随着质子交换膜燃料电池技术的进步,生产成本将大幅度降低,有望在汽车产业得到广泛应用。

质子交换膜燃料电池退化机制及寿命预测方法综述

故障诊断与寿命预测是解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统寿命短、成本高的有效方法。综述了PEMFC系统的退化机制,包括质子交换膜、催化层、扩散层等各个组件的退化机理。从本征因素和外部因素两方面总结了影响PEMFC系统老化的影响因素,特别是在运行管理过程中操作不当会加速PEMFC系统老化。介绍了表征PEMFC老化程度的常用退化性能指标,退化性能指标的选择对寿命预测方法的研究有重要意义,介绍了不同指标的优缺点以及适用情况。从模型驱动方法、数据驱动方法和混合驱动方法3方面介绍了常见的PEMFC系统寿命预测方法。模型驱动和数据驱动方法各有优缺点,混合方法可结合二者优点并提高预测的精度和准确性。最后展望了预测研究的未来发展方向。

质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。

Fe/N/C材料在质子交换膜燃料电池中阴极催化剂的研究进展

从ORR反应的机理出发,结合Fe/N/C材料的制备方式,从活性位点角度分析了Fe/N/C材料高效氧还原电催化的机制,并针对在高性能Fe/N/C材料开发过程中存在的各种稳定性问题进行阐述。对于Fe/N/C催化剂在燃料电池中的应用前景提出建议和展望,为今后Fe/N/C材料的发展提供了参考。

质子交换膜燃料电池的平板热管传热性能

为探究平板热管在电堆中的传热性能,针对电堆中的传热条件设计平板热管的传热性能测试实验。结果表明:平板热管瞬态响应灵敏,响应时间在100—260 s之间;加热功率增加时平板热管的温差增加,等效热阻下降,5—15 W时处于启动阶段,40—50 W时等效热阻低于0.1℃/W,温差<5℃;冷却风速增加,平板热管的温差和等效热阻都有所上升;工作倾角对平板热管的性能影响显著,逆重力的工作条件将使平板热管的性能恶化,在50 W的加热功率、-90°工作倾角下平板热管的等效热阻约为90°时的3倍。