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质子交换膜燃料电池微孔层在反极过程中的耐久性研究

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材料导报 2022年第14期36卷 63-69页

作者：张立昌蔡超谭金婷周江峰王园潘牧武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学燃料电池湖北省重点实验室武汉430070

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... 详细信息

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。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC) 在线反极离线恒电位微孔层碳腐蚀

分散方式对PEMFC微孔层油墨流变特性与微结构的影响研究

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工程热物理学报 2023年第6期44卷 1473-1480页

作者：陈梦言杜少杰张恒张锐明唐浩林隋邦傑武汉理工大学汽车工程学院武汉430072 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室) 佛山528200 广东省武理工氢能产业技术研究院佛山528200 江苏理工学院汽车与交通工程学院常州213001 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉4430072

制备高性能的微孔层对于提升质子交换膜燃料电池性能至关重要,其中微孔层油墨的制备是微孔层制备中的核心环节,油墨的分散方式和分散时长均会影响微孔层的性能。在本文中,研究了在两种不同的分散方式及三种不同分散时长下:超声分散(15 m... 详细信息

制备高性能的微孔层对于提升质子交换膜燃料电池性能至关重要,其中微孔层油墨的制备是微孔层制备中的核心环节,油墨的分散方式和分散时长均会影响微孔层的性能。在本文中,研究了在两种不同的分散方式及三种不同分散时长下:超声分散(15 min,30 min,45 min)和球磨分散(1 h,2 h,3 h),对微孔层性能的影响,并对微孔层油墨进行了流变性研究、粒径分布和形貌表征以及BET测试。研究结果表明:球磨分散与超声分散制备的微孔层油墨呈现不同的流变性,前者黏度20 m Pa·s明显高于后者2 mPa·s,粒径分布也因分散方式不同呈现明显差异。球磨分散方式制备的微孔层表面出现明显的团聚絮状物,增加了表面粗糙度,同时该制备方式下的微孔层比表面积为9.2922 m^(2)·g^(-1)。同样制备时长也会对微孔层性能产生影响,研究发现球磨分散2 h制备的微孔层展示了更高的优越性。

关键词：微孔层球磨分散超声分散超声喷涂流变性

质子交换膜燃料电池微孔层浆液微观结构与流变性

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化工进展 2022年第7期41卷 3808-3815页

作者：陈哲坤潘伟童姚顶松丁路王辅臣华东理工大学洁净煤技术研究所上海200237

微孔层(MPL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理的重要部件。本文系统性选择了4种典型炭黑[ACET、XC-72R、BP2000、天然气裂解炭黑(NG)],借助原子力显微镜(AFM)、场发射透射电镜(TEM)和动态光散射粒度分析仪(DLS PSD)对浆液微观结构的研... 详细信息

微孔层(MPL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理的重要部件。本文系统性选择了4种典型炭黑[ACET、XC-72R、BP2000、天然气裂解炭黑(NG)],借助原子力显微镜(AFM)、场发射透射电镜(TEM)和动态光散射粒度分析仪(DLS PSD)对浆液微观结构的研究,给出团聚性这一浆液评价标准,并结合流变性揭示了定量标准。研究结果表明,不同炭黑的团聚程度大小依次为ACET>XC-72R>BP2000>NG。剪切稀化指数n越大,MPL浆液团聚程度越低,颗粒分散越均匀;n越小,团聚程度越高。具体而言,固含量α=6%时,添加NG、BP2000、XC-72R、ACET炭黑的MPL浆液的剪切稀化指数n分别为0.554、0.320、0.118、0.039;测得的ACET、XC-72R、BP2000、NG的团聚体粒径分别为1.358μm、1.149μm、0.732μm、0.406μm,所以浆液的剪切稀化指数与其团聚程度成反比。总之,NG-MPL剪切稀化程度最低,NG更加适合作为MPL的碳材料,也为今后MPL的制备和优化提供指导。

关键词：燃料电池微孔层炭黑微观结构流变性

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多孔纳米碳纤维作为质子交换膜燃料电池微孔层的性能

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化工进展 2020年第10期39卷 3995-4001页

作者：毛林昌金俊宏杨胜林李光东华大学材料科学与工程学院纤维材料改性国家重点实验室上海201600

质子交换膜燃料电池膜电极中的微孔层结构对改善体系的水管理能力,提升膜电极的整体性能发挥重要作用。本文通过静电纺丝和后续热处理的方法制备了多孔纳米碳纤维(PCNF),并以此构建膜电极的微孔层。与炭黑颗粒作为微孔层呈现出紧密堆积... 详细信息

质子交换膜燃料电池膜电极中的微孔层结构对改善体系的水管理能力,提升膜电极的整体性能发挥重要作用。本文通过静电纺丝和后续热处理的方法制备了多孔纳米碳纤维(PCNF),并以此构建膜电极的微孔层。与炭黑颗粒作为微孔层呈现出紧密堆积结构不同,由PCNF搭建的微孔层结构疏松呈现三维贯通状。膜电极的发电测试表明,以多孔纳米碳纤维作为微孔层(MPL-PCNF)的膜电极其最大功率密度达70.0mW/cm^2,远高于炭黑颗粒为微孔层(MPL-CB)的膜电极(58.1mW/cm^2),而没有微孔层(Ref)结构的膜电极最大功率密度仅为27.7mW/cm^2,显示出PCNF作为微孔层材料的明显优势。

关键词：微孔层多孔纳米碳纤维膜电极纳米材料燃料电池电化学

质子交换膜燃料电池微孔层微结构力学特性分析

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重庆大学学报 2024年

作者：邵轩宇黄治平许杰张恒詹志刚武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉理工大学汽车工程学院先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心

微孔层在质子交换膜燃料电池中起着水-气-热-电传输的重要作用，在机械应力作用下的变形及微结构的破坏将严重影响这种传输作用。本文首先实验制备微孔层并进行表征，量测其应力-应变关系。然后基于实验表征获得的特性参数，随机数值重... 详细信息

微孔层在质子交换膜燃料电池中起着水-气-热-电传输的重要作用，在机械应力作用下的变形及微结构的破坏将严重影响这种传输作用。本文首先实验制备微孔层并进行表征，量测其应力-应变关系。然后基于实验表征获得的特性参数，随机数值重构出微孔层的三维微观结构。使用有限元方法模拟其在不同机械作用下的形变，分别获得碳颗粒和聚四氟乙烯（PTFE）在不同应变下的位移-应力分布。结果表明：机械作用会使微孔层微结构产生显著应变，且位于应力施加侧表面应力和应变最大，更易产生应力集中现象。随着机械应变的增加，在受力方向上，应力会呈指数形式增大。当应变为10%时，碳颗粒和PTFE上的应力的最大值约为31.385 MPa和14.873 MPa。当应变增加到40%时，应力的最大值变为160.03 MPa和96.165 MPa，此时应力集中最为明显。微孔层中应力集中区域会随着应变的增大而明显变大。

关键词：质子交换膜燃料电池微孔层机械应力有限元分析

质子交换膜燃料电池中碳纸微孔层设计的研究进展

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中国造纸 2024年第5期43卷 84-93,115页

作者：蔡书涵胡泽鸿杨垚磊闻斌洪毅张欣郭大亮沙力争浙江科技大学环境与资源学院浙江杭州310023

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种极具潜力的电化学装置,具有广泛的应用前景,但有效的水管理方法还需探索。不合适的水负荷会引起各种问题,包括材料的降解和反应物传质受限等,损害电池的长期耐用性。在气体扩散层(GDL)中引入微孔层(M... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种极具潜力的电化学装置,具有广泛的应用前景,但有效的水管理方法还需探索。不合适的水负荷会引起各种问题,包括材料的降解和反应物传质受限等,损害电池的长期耐用性。在气体扩散层(GDL)中引入微孔层(MPL)是改善水管理能力和性能的有效方式。本文综述了以碳纸为大孔底物,近年来MPL结构和材料设计方面的研究进展,展望MPL的未来研究方向,对开展提高电池性能的研究具有重要意义。

关键词：质子交换膜燃料电池碳纸微孔层改进设计

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质子交换膜燃料电池微孔层CFD模型研究

汽车技术 2019年第1期 1-6页

作者：何煜祥陈会翠章桐裴普成同济大学汽车学院上海201804 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084

为了建立含微孔层的质子交换膜燃料电池三维流体模型,利用多组分扩散方程与气液两相流方程进行数值计算,重点研究了稳态条件下的组分参数与水分布,以及阴极空气过量系数对燃料电池输出性能的影响。计算结果表明,氢气、氧气、水分与局部... 详细信息

为了建立含微孔层的质子交换膜燃料电池三维流体模型,利用多组分扩散方程与气液两相流方程进行数值计算,重点研究了稳态条件下的组分参数与水分布,以及阴极空气过量系数对燃料电池输出性能的影响。计算结果表明,氢气、氧气、水分与局部电流等参数具有明显的空间分布,受燃料电池多层结构的影响明显,空气过量系数的增大可以提升燃料电池的输出性能。仿真结果中燃料电池的极化曲线表明了模型的有效性,液态水的分布证明了在燃料电池仿真建模中考虑微孔层模型的必要性。

关键词：燃料电池微孔层仿真分析计算流体力学

平面方向差异化孔结构微孔层对PEMFC性能影响研究

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炭素技术 2023年第2期42卷 15-20页

作者：吴港胜刘志鹏胡海霞梁伊丽谢志勇中南大学粉末冶金研究院湖南长沙410083 中南大学资源加工与生物工程学院湖南长沙410083

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件之一,气体扩散层中微孔层(MPL)的水气传输能力对电池性能有着重要影响。本文采用膨胀石墨(EG)与炭黑(Vulcan XC-72R)复合来调控微孔层孔结构,并且采用模板刮涂法制备了平面方向差... 详细信息

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件之一,气体扩散层中微孔层(MPL)的水气传输能力对电池性能有着重要影响。本文采用膨胀石墨(EG)与炭黑(Vulcan XC-72R)复合来调控微孔层孔结构,并且采用模板刮涂法制备了平面方向差异化孔结构微孔层,研究了其对电池性能影响,阐述了孔结构对水气传输的影响机理。实验结果表明,EG与Vulcan XC-72R复合可以增加微孔层中孔含量,提高孔隙率。平面方向差异化孔结构微孔层电池性能在4388 mA/cm^(2)时极限功率密度为1810 mW/cm^(2),与传统单一炭黑微孔层相比性能提升33.8%,电化学阻抗谱也验证了传质阻力的降低。这种微孔层孔结构形成了水气分流的有序化孔道模式,提高了微孔层的传质能力。

关键词：质子交换膜燃料电池微孔层膨胀石墨孔结构

基于不同商业化炭黑的PEMFC微孔层的耐腐蚀性能

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电源技术 2024年第8期48卷 1653-1661页

作者：刘金鑫张立昌谭金婷武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室湖北武汉430070 武汉理工大学燃料电池湖北省重点实验室湖北武汉430070

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... 详细信息

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。

关键词：质子交换膜燃料电池微孔层反极商业化炭黑碳腐蚀