质子交换膜燃料电池研究进展

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）因具有效率高、功率密度大、排放产物仅为水、低温启动性好等多方面优点,被公认为下一代车用动力的发展方向之一。然而,目前PEMFC在耐久性和成本方面距离商业化的要求还存在一定差距。为攻克上述两大难题,需要燃料电池全产业链的共同努力和进步。本文回顾了近年来质子交换膜燃料电池从催化剂、膜电极组件、电堆到燃料电池发动机全产业链的研究进展和成果,梳理出单原子催化剂、非贵金属催化剂、特殊形貌催化剂、有序化催化层、高温质子交换膜、膜电极层间界面优化、一体化双极板-扩散层、氢气系统循环等研究热点。文章指出,催化层低铂/非铂化、质子交换膜超薄化、膜电极组件梯度化/有序化、燃料电池运行高温化、自增湿化是未来的发展趋势,迫切需要进一步的创新与突破。     

质子交换膜燃料电池研究进展

由于质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转化效率高、寿命长、比功率和比能量高、以及对环境友好等优点,近年来得到迅速发展.笔者综述了PEMFC的特点,分析了PEMFC在国内外的最新研究进展,介绍了PEMFC的应用前景,并指出了PEMFC研究当前需要解决的技术问题及其发展趋势.     

Enhanced performance of CO poisoned proton exchange membrane fuel cells via triode operation

The effect of triode operation on the performance of CO poisoned PEM fuel cells was investigated. In this mode of operation a third, auxiliary, electrode is introduced in addition to the anode and the cathode. Application of electrolytic current in the auxiliary circuit, comprising the cathode and the auxiliary electrode was found to significantly enhance the time-averaged power output of a state-of-the-art PEMFC unit operating with a 70 ppm CO in H₂ atmospheric pressure mixture. Both normal and triode operation were found to lead to self-sustained current and potential oscillations in the fuel cell circuit over wide ranges of external resistive load. The time averaged increase in power output was found to be typically a factor of three higher than the power output in conventional fuel cell operation and up to a factor of 1.32 larger than the power sacrificed in the auxiliary circuit. The mechanism of the enhanced anodic electrocatalysis was investigated via the use of two reference electrodes and the results are discussed together with a possible design for application of the triode concept in stacks.     

Numerical optimization of proton exchange membrane fuel cell cathodes

A fuel cell gradient-based optimization framework based on adaptive mesh refinement and analytical sensitivities is presented. The proposed approach allows for efficient and reliable multivariable optimization of fuel cell designs. A two-dimensional single-phase cathode electrode model that accounts for voltage losses across the electrolyte and solid phases and water and oxygen concentrations is implemented using an adaptive finite element formulation. Using this model, a multivariable optimization problem is formulated in order to maximize the current density at a given electrode voltage with respect to electrode composition parameters, and the optimization problem is solved using a gradient-based optimization algorithm. In order to solve the optimization problem effectively using gradient-based optimization algorithms, the analytical sensitivity equations of the model with respect to the design variables are obtained. This approach reduces the necessary computational time to obtain the gradients and improves significantly their accuracy when compared to gradients obtained using numerical sensitivities. Optimization results show a substantial increase in the fuel cell performance achieved by increasing platinum loading and reaching a Nafion mass fraction around 20-30 wt.% in the catalyst layer.     

质子交换膜燃料电池研究及应用现状

介绍了国内外质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究的整体现状及水平,分别讨论了PEMFC的3个关键部件:质子交换膜的材料要求,电化学反应催化剂的特点,膜电极的组成、制备工艺和最新进展,重点讨论了全氟磺酸型质子交换膜的类型、优缺点和当前的研究方向。在此基础上,追述了近年来国内外以PEMFC作为电动汽车动力源的实际应用情况,并指出应用PEMFC存在的问题。可以看到,PEMFC具有广阔的应用前景,将会在电动汽车方面得到最早的商业化应用。     

氧化石墨烯在燃料电池质子交换膜中的应用

保护环境，开发环保型能源，对人类和社会具有重要意义。质子交换膜燃料电池由于其能量转化率高，可实现零排放，近年来引起了电池领域研究者们的兴趣。氧化石墨烯（GO）由于存在活性氧官能团，可以和离子型聚合物进行复合以制备复合质子交换膜。氧化石墨烯类的复合质子交换膜应用于燃料电池时可以提高膜在高温低湿度条件下的质子传导率，降低甲醇渗透率，提高电池的功率密度。本文首先介绍了氧化石墨烯的制备方法，然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发，详细介绍了氧化石墨烯在Nafion、聚醚醚酮、聚苯并咪唑和壳聚糖等不同种类的离子型聚合物中的应用现状及作用机理，同时对其在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。     

质子交换膜燃料电池膜中气态水管理模型

分析质子交换膜燃料电池的膜水含量与运行参数的关系,从工程方法的角度建立水传输模型.模型分析得到,要提高膜的水合程度,需要通过增湿反应气体.过高的增湿反应气体又会引起阴极扩散层水的泛滥,需通过调节反应气体流量来缓解水的泛滥.为保证膜的高水合程度和低的阴极扩散层水的泛滥,建立了膜水含量的神经网络控制模型,为电池水管理奠定了基础.     

中压氢-氧质子交换膜燃料电池的运行特性

通过设计阴极流道宽度为1 mm与2 mm的单电池,研究了不同温度下闭口中压氢-氧质子交换膜燃料电池的运行特性。结果表明：(1)2 mm的电池有较好的闭口稳定运行特性,在800 mA·cm-2下,1 mm的电池闭口运行时,大约经过3 min,电压从0.7 V下降到0.5V,而2 mm的流场结构能实现电池53 min的运行;(2)电池性能随温度的升高而下降,相对于65℃运行,温度为80℃时,1mm的电池闭口运行时,大约经过1.7 min,电压从0.69 V下降到0.5 V,此时为维持电池的高性能运行,氧气侧所需的排放时间越短;(3)电池的内阻随温度的升高而增大,高温时增幅较小。     

质子交换膜燃料电池可视化研究进展

质子交换膜燃料电池(包括氢氧质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池)内的两相流动以及相应的水管理、气管理对燃料电池的性能和寿命有很大的影响,而可视化方法是研究流场槽道内两相流动非常重要的方法之一。可视化实验可以真实地展示气泡或液滴在流场槽道内的生成以及发展过程,有利于了解其进化机制,从而进一步优化气管理、水管理并提高电池性能。本文主要综述了质子交换膜燃料电池两极流场内两相流动的可视化研究进展,讨论了扩散层的润湿性以及扩散层内水的传递机理,还介绍了实现可视化的方法,并提出了可视化研究的不足及发展方向。     

聚砜类燃料电池质子交换膜研究进展

介绍了质子交换膜的分类，综述了主链型聚砜质子交换膜、侧链型聚砜质子交换膜、无机掺杂复合型聚砜质子交换膜等聚砜类燃料电池质子交换膜的最新研究进展，全面阐述了磺化聚砜的形貌、结构对材料物理化学性能的影响，并展望了聚砜类燃料电池质子交换膜的发展前景。     

质子交换膜燃料电池强化传质

传质问题制约着燃料电池性能的提高。通过理论分析、Fluent模拟,针对质子交换膜燃料电池流道中加凸台和电极扩散层开孔两种方法,分别研究其对强化电池内部传质的效果。结果表明,上述两种方式均能有效强化电池内部传质,提高电池性能。但是加凸台增加了风机的寄生功率,综合性能提升不显著。     

质子交换膜燃料电池动态过程的数值模拟

为描述质子交换膜燃料电池的动态过程,发展了一个基于计算流体动力学的非稳态、非等温的三维两相流数学模型.应用模型对一蛇形流道结构的质子交换膜燃料电池单体进行了数值计算,得到了电池启动过程中电池阴极侧膜表面温度和电流密度等特征参数的动态过程变化曲线.最后,分析了阴极入口速度、湿度和电池电压阶跃变化后电池特性的动态响应特性.结果表明：电池的启动时间和阶跃响应时间均为秒的数量级,与大多数模型模拟的结果相一致.     

质子交换膜燃料电池膜电极结构与设计研究进展

膜电极（MEA）为质子交换膜燃料电池（PEMFC）提供了电子、质子、反应气体和产物水等多相物质传递和电化学反应的重要场所。设计和制备具有优异特性的MEA对提高PEMFC的性能,降低制造成本,加快其商业化应用是至关重要的。本文首先对PEMFC的反应机理进行了分析,接着从气体扩散层（GDL）、催化层（CL）、质子交换膜构造（PEM）3个方面阐述各部件在MEA中的作用,归纳总结了各部件的制备方法、传热传质方式、仿真模型、构效关系以及优缺点,最后对影响MEA的各种因素进行了总结,并且结合目前涌现出的许多新兴技术对PEMFC的发展进行了展望。本综述对未来高性能、长寿命和低成本的MEA开发具有指导意义。     

基于非线性动态模型的质子交换膜燃料电池故障诊断

为了对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统进行故障诊断以提高系统的安全性和可靠性,针对PEMFC系统的强非线性,在九阶状态空间模型的基础上提出一种滑模观测器实时生成残差,利用故障阈值检测法建立故障特征矩阵检测故障,进而为了隔离故障,引入相对故障敏感度函数建立理论相对故障敏感度矩阵,在系统运行时实时计算各故障相对故障敏感度与理论相对故障敏感度的欧氏距离,最小欧氏距离对应的故障则为系统发生的故障,结果验证了所提出的基于模型的故障诊断方法的有效性,且所构建观测器可以估计PEMFC系统中难以直接测取的状态变量,平均相对误差在6%以内。     

基于非线性动态模型的质子交换膜燃料电池故障诊断

为了对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统进行故障诊断以提高系统的安全性和可靠性,针对PEMFC系统的强非线性,在九阶状态空间模型的基础上提出一种滑模观测器实时生成残差,利用故障阈值检测法建立故障特征矩阵检测故障,进而为了隔离故障,引入相对故障敏感度函数建立理论相对故障敏感度矩阵,在系统运行时实时计算各故障相对故障敏感度与理论相对故障敏感度的欧氏距离,最小欧氏距离对应的故障则为系统发生的故障,结果验证了所提出的基于模型的故障诊断方法的有效性,且所构建观测器可以估计PEMFC系统中难以直接测取的状态变量,平均相对误差在6%以内。     

质子交换膜燃料电池用氢质量标准的发展历程和现状

氢气中杂质种类和含量水平对加氢站关键设备、氢燃料电池汽车供氢系统、燃料电池核心部件的性能和寿命有着重要的影响。国际标准化组织（ISO）以及各国标准化机构依据技术发展趋势和产业化进程特点,研制构建了系统完备、指标要求合理的燃料电池用氢质量标准体系,在氢能和燃料电池汽车技术发展中起到了基础支撑作用。本文回顾了质子交换膜燃料电池用氢质量标准的发展历程,对比分析了国内外标准的差异,认为我国质子交换膜燃料电池用氢的质量标准对杂质组分的限值要求与国际先进标准是一致的,我国产业界应充分重视标准的实施应用,积累更多的试验数据,为主导或参与国际标准制修订工作奠定基础。     

Development of a residence time distribution method for proton exchange membrane fuel cell evaluation

New in situ and minimally invasive methods are needed to quantify the presence of liquid water and ice within operating proton exchange membrane fuel cells. A volume sensitive residence time distribution technique was developed based on CO₂ tracer and infrared detection. The method, components and operation are detailed (tracer injection and detection, data scaling, calibration, and pressure correction). The measurement system was characterized by an electronic signal processing response time of 43 ms, accuracy and repeatability better than 0.5-5% error in transit time measurement and sufficient sensitivity to detect less than 10% changes in flow field channel and gas diffusion electrode void volumes. Results obtained with a simplified model fuel cell (single flow field channel, absence and presence of a gas diffusion layer) revealed the presence of two time resolved mechanistic steps for negative tracer step cases (convective tracer removal from flow field channel, diffusive tracer removal from gas diffusion layer). A one-dimensional model was derived using convective diffusion in flow field channels and cross-flow tracer exchange proportional to the concentration difference between flow field channel and gas diffusion electrode. Numerical computations showed good agreement with the model fuel cell experimental results.     

燃料电池用碱性膜材料的研究进展

碱性膜直接甲醇燃料电池因为结合了质子交换膜燃料电池和液体碱燃料电池的优点而产生自身独特的性质,使其可以在一定程度上弥补质子交换膜燃料电池以及液体碱燃料电池的缺点而尤其引人关注。其中碱性膜电解质为碱性膜燃料电池的核心组件,其性能直接关系到燃料电池的性能及寿命。截至目前,关于碱性膜材料的制备及应用方面的报道较多,涉及的碱性膜电解质的种类也较多。本文以燃料电池用碱性膜电解质为综述内容,对国内外关于碱性膜电解质的研究报道进行系统的梳理和介绍。     

空气自呼吸质子交换膜燃料电池最新研究进展

空气自呼吸质子交换膜燃料电池具有系统体积小、能量密度高、能量转化效率高和清洁无污染、无需复杂的空气供给及增湿系统等优点,是极具商业前景的新一代中小功率便携式电源,其相关研究为燃料电池领域的热点研究课题。本文综述了近年来此类电池在结构、机理、组成元件、性能等方面的研究进展,认为改善阴极催化层孔隙率和疏水性等能显著加快氧气传输和水移除,提高氧气活化能力;气体扩散层的组成、结构和厚度亦影响其气体透过性和水移除效果;合适的结构设计和材料选取能调节池体温度,强化空气对流;膜电极免增湿技术的应用可以维持电池在低湿度下较高质子传导率和系统稳定性,这是空气自呼吸质子交换膜燃料电池实现商业化的重要研究方向。     

质子交换膜燃料电池仿真模型研究进展

质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。