碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。

质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟

质子交换膜燃料电池的商业化应用迫切要求降低其Pt载量.本文通过Pt/C氧还原电极的动力学模型计算,研究了Pt/C电极中的氧分布、生成电流以及满足实际应用的最小Pt载量.结果表明,燃料电池Pt/C电极,阴极产生严重浓差极化的催化层厚度为40μm;功率密度达到1.4 W·cm^(-2)(2.1 A·cm^(-2)@0.67 V)的电池性能需要3μm左右的Pt/C阴极催化层,阴极Pt载量为0.122 mg·cm^(-2),即可使膜电极的阴极铂用量低于0.087 g·k W-1.

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。

质子交换膜燃料电池集流板的欧姆热效应研究

通过分析研究质子交换膜燃料电池集流板的欧姆热效应,得出了集流板欧姆热方程,并用此方程分析了不同材料、厚度、高度以及引线方式的集流板对其发热量的影响。研究发现集流板的发热量过大,会使得与其相邻的单电池由于温度过高而导致该单电池性能下降。通过对比集流板与电池的发热量,发现在一定条件下集流板的发热量已不能忽略,因而,在实际应用中必须考虑集流板的冷却设计。

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。

织构气体扩散层表面氢氧燃料电池阴极超低Pt载量催化层的磁控溅射法制备

采用磁控溅射技术在具有织构结构的气体扩散层(GDL)表面制备了可应用于氢氧质子交换膜燃料电池的超低Pt载量阴极催化层,并通过SEM、轮廓仪和XRD等测试方法表征了GDL及其载Pt后的形貌和物相,利用XPS分析溅射Pt的化学价态,使用电池测试台表征其电池性能.测试结果表明,磁控溅射法在GDL表面沉积的Pt催化层载量可控且分布均匀;与商业GDL对比,Pt在织构GDL表面具有更大的可附着面积.电池性能测试结果显示,当Pt载量为0. 04 mg/cm^2时,以织构GDL作基材的样品质量比功率高达26. 25k W/g Pt,远大于商业GDL作基材时的17. 76 k W/g Pt,也大于同等Pt载量下商业Pt/C催化剂的24. 00k W/g Pt.

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。

燃料电池电堆2000h耐久性测试前后的催化层分析

耐久性差是制约质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化的主要因素。文章模拟实际道路工况,对燃料电池堆进行了2000h的耐久性测试,分析了第二片膜电极性能的衰退情况;利用SEM,TEM,原子吸收光谱(AAS),循环伏安(CV)等对第二片膜电极耐久性测试前后催化层及催化剂进行了表征。结果表明,经过2000小时的耐久性测试,第二片电池在800m A/cm^2时的电压下降了23%,电压衰减率达到了35.5μV/h,来自于催化剂的性能衰减主要是由于Pt/C催化剂的流失、团聚、颗粒度变大;导致其电化学比表面积减少造成的,Pt的总流失量达到了40.6%。阴极Pt的电化学比表面积下降了45.5%,阳极Pt的电化学比表面积下降了23.3%,阴极变化比阳极严重。催化层和催化剂的不稳定是导致PEMFC性能衰减、耐久性差的重要原因。

基于微型燃料电池阴极氧气传输的研究

燃料电池中阴极的氧气传输涉及不同的机理,包括气体在流场中的对流、在气体扩散层(GDL)中的分子扩散、在催化层(CL)中的努森扩散及在水膜和离子膜中的渗透作用。氧气传输阻力可用单电池的极限电流来评价。通过调控氮氧混合气中氧气的百分含量测得一系列的极限电流(I),计算出不同氧分数下的总传输阻力(R_(total))。从R_(total)-I曲线可知,氧气在燃料电池中的传输分为两个区域:一是干态区域(电流密度小于1500 mA/cm^2),R_(total)趋近于常数;二是湿态区域(电流密度大于1 500 mA/cm^2),R_(total)急剧上升。R_(total)-I曲线能清晰反映燃料电池在各电流密度下工作时的氧气传输情况。

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。

微通道型氨裂解制氢反应器的模拟分析

为优化微通道型氨裂解制氢反应器的性能,建立三维稳态多物理场耦合数值模型,模拟研究反应器内速度、密度、温度、浓度和反应速率的分布情况,以及流道长度和操作条件对NH 3转化率的影响。随着反应的进行,由入口沿着流道长度方向流体流速增加,密度则下降;温度梯度和浓度梯度在入口处附近最显著,氨裂解反应主要集中在微通道的前半段,在基准工况(温度773 K、压力101.325 kPa和流量400 mL/min)下,距离入口50%长度段内,至少有80%的NH_(3)发生了裂解;增加流道长度、升高温度、减少流量和降低压力都可提高NH 3转化率,其中温度的影响最大。当温度T≥823 K时,即使流量达到800 mL/min、压力在0.7 MPa下,NH_(3)的转化率也能达到83.79%。

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。

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。

工作电压对PEMFC膜电极衰退影响模拟研究

为研究长期稳定运行条件下,工作电压对质子交换膜燃料电池膜电极衰退状况的影响,建立了包含碳腐蚀、Pt氧化与溶解以及离聚物降解的PEMFC多物理场耦合模型进行数值模拟。研究结果表明:随着工作电压增加,阴极催化层中Pt溶解与碳腐蚀速率加快,500 h后Pt表面氧化的区域大幅增加,阴极催化层中团聚体半径与质子交换膜中磺酸基团浓度剧烈减小,衰退区域主要集中在阴极入口处且高电压下衰退程度急剧增加。电池在0.8 V下运行500 h后,阴极入口处阴极催化层与膜厚度显著减小,分别降低13.62%与35.30%;阴极催化层电化学活性面积和膜的离子电导率分别减小59.9%与6.9%,膜的当量质量增加7.4%,且上述指标前100 h内衰退剧烈,随后逐渐趋于平缓。可为膜电极材料设计与控制策略的优化提供参考。

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TCN-GRU-A模型的PEMFC老化预测方法

为实现对动态工况下质子交换膜燃料电池(PEMFC)的老化预测,并提升门控循环单元网络(GRU)的预测能力,提出了一种将时间卷积网络(TCN)、注意力机制(Attention)和GRU结合起来的TCN-GRU-A预测方法,通过引入TCN层提升GRU特征提取能力,并用注意力机制对GRU输出特征进行加权以提升预测精度。采用PEMFC动态耐久实验数据集进行验证,通过与多种深度学习模型的预测结果对比表明:在对全电流负载数据和定电流负载数据进行的预测中,该预测方法均具有更小的预测误差和更好的拟合度。

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。