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质子交换膜燃料电池氢气渗透电流及电子电阻检测方法

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电子元器件与信息技术 2023年第5期7卷 231-234页

作者：吴焯峰张锐明佛山仙湖实验室

本文针对电势扫描时，燃料电池的反应特性，提出了一种区别于电化学过程的等价电路模型，其中包含了氢解吸、双电层电容充电、电子内部短路和氢渗透。在此基础上，改进线性电势扫描的分析方法，排除扫描速度对测量结果的影响，并对实验... 详细信息

本文针对电势扫描时，燃料电池的反应特性，提出了一种区别于电化学过程的等价电路模型，其中包含了氢解吸、双电层电容充电、电子内部短路和氢渗透。在此基础上，改进线性电势扫描的分析方法，排除扫描速度对测量结果的影响，并对实验数据进行分析，得出氢的穿透电流和电阻值。本文从模型假定出发，采用恒流扫描技术对氢渗透电流及电子电阻进行了详细的分析。采用两种方法对34cm2的单晶电池进行了比较，结果显示：采用直线电势扫描，其穿透电流分别为1.19mA/cm2和479mA/cm2；采用恒流技术分别为1.25mA/cm2和413mA/cm2。

关键词：质子交换膜燃料电池电流电阻检测

表面偏析在固体氧化物燃料电池阴极/电解质界面形成和反应中的作用

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陶瓷学报 2023年第3期44卷 434-446页

作者：何帅邹远锋蒋三平先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心暨佛山仙湖实验室广东佛山528216

电极/电解质界面对高温固体氧化物燃料电池(SOFC)等电化学固态器件的性能和耐久性起着至关重要的作用。SOFC与液态电解质电池相比,SOFC的多孔电极和致密电解质之间的界面接触是不连续的,并且有显著的固体与固体(Solid-to-Solid,StS)接... 详细信息

电极/电解质界面对高温固体氧化物燃料电池(SOFC)等电化学固态器件的性能和耐久性起着至关重要的作用。SOFC与液态电解质电池相比,SOFC的多孔电极和致密电解质之间的界面接触是不连续的,并且有显著的固体与固体(Solid-to-Solid,StS)接触特性。这种StS的接触特性在SOFC的表面偏析、电极/电解质界面和电极相界面反应性等现象中起到了关键作用,尤其是对于作为O_(2)还原反应、具有高混合离子和电子电导率和高活性等特点的钴基钙钛矿阴极材料。然而,对这些表界面现象的机理研究绝大部分集中在高温电极/电池烧结过程中所发生的钴基钙钛矿电极与氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)基电解质之间的高反应活性现象。电极直接组装技术的开发避免了传统高温烧结带来的相关不利问题,同时科研人员进一步研究了在SOFC运行条件下的免烧结电极/电解质界面形成和反应现象。简要回顾了在SOFC运行条件下具有电子导电La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_(3)和混合离子和电子导电的La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)免烧结钙钛矿电极与YSZ和掺钆氧化铈(GDC)电解质之间的极化、表面偏析和界面形成的基本原理和内在联系等的研究进展。明晰并理解电极/电解质界面的基本原理对于开发高性能和耐用的SOFC技术具有普遍且重要的意义。

关键词：固体氧化物燃料电池阴极电极/电解质界面表面偏析极化

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Pt合金催化剂电化学活性面积表征方法综述

科学通报 2023年第5期68卷 448-456页

作者：张慧周芬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 先进能源科学与技术广东省实验室佛山仙湖实验室佛山528200

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)作为高效清洁的电化学能源转换装置,是目前应用最广泛、研究最热门的氢燃料电池之一.基于PEMFCs的低成本与高性能需求,Pt合金催化剂极具研究前景.电化学活性面积(electr... 详细信息

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)作为高效清洁的电化学能源转换装置,是目前应用最广泛、研究最热门的氢燃料电池之一.基于PEMFCs的低成本与高性能需求,Pt合金催化剂极具研究前景.电化学活性面积(electrochemical active surface area,ECSA)是筛选燃料电池高效催化剂以及研究催化动力学基础理论的重要参数,其评价的准确性至关重要.对于Pt/C催化剂ECSA的表征方法已经成熟,然而Pt合金因其不同于Pt/C催化剂的化学组成和结构,直接将传统Pt/C催化剂ECSA表征方法移植到Pt合金催化剂,将不再满足表征准确性需求.本文对Pt合金催化剂ECSA的表征方法及其表征ECSA偏差的来源进行综述.

关键词：质子交换膜燃料电池 Pt合金催化剂电化学活性面积物理表征电化学表征

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氮掺杂PtCo/C合金催化剂的研究

高等学校化学学报 2023年第6期44卷 137-144页

作者：赵倩李赏程矿伟文智勇张晓宇易少杰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 先进能源科学与技术广东省实验室佛山仙湖实验室佛山528200

通过调节氮原子在商业化PtCo/C中的含量来调整催化剂的活性和稳定性,最终使催化剂的质量比活性(MA)提升为改性前的2倍,半波电势由0.90 V增加到0.93 V,并且在0.6~1.0 V之间进行5000次循环之后,半波电势下降幅度由原来的66 mV降低到26 mV... 详细信息

通过调节氮原子在商业化PtCo/C中的含量来调整催化剂的活性和稳定性,最终使催化剂的质量比活性(MA)提升为改性前的2倍,半波电势由0.90 V增加到0.93 V,并且在0.6~1.0 V之间进行5000次循环之后,半波电势下降幅度由原来的66 mV降低到26 mV,表现出优异的氧还原反应活性和出色的循环稳定性.活性的提升主要归因于氮与铂的结合降低了对含氧中间体的吸附结合能,提高了氧还原反应(ORR)过程中羟基的脱附速率.耐久性的提高表明Pt—N键的存在使催化剂不容易在循环过程中溶解,有助于合金催化剂在碳载体上的稳定.

关键词：质子交换膜燃料电池合金催化剂氮掺杂

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层级多孔碳载铂催化剂的制备及可达性

高等学校化学学报 2022年第4期43卷 78-86页

作者：罗昪周芬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 先进能源科学与技术广东省实验室佛山仙湖实验室佛山528200

层级多孔碳作为氧还原铂基催化剂载体的选择之一,简单的旋转圆盘电极(RDE)验证此类催化剂具有较高的氧还原活性,但几乎都缺少膜电极(MEA)性能验证,实用性无法保证.本文设计制备了基于聚苯胺的层级多孔碳(NHPC)载铂催化剂(Pt/NHPC850),... 详细信息

层级多孔碳作为氧还原铂基催化剂载体的选择之一,简单的旋转圆盘电极(RDE)验证此类催化剂具有较高的氧还原活性,但几乎都缺少膜电极(MEA)性能验证,实用性无法保证.本文设计制备了基于聚苯胺的层级多孔碳(NHPC)载铂催化剂(Pt/NHPC850),研究了其氧还原活性、MEA质子传输和氧传输特性.RDE测试研究表明,Pt/NHPC850催化剂在低I/C(离聚物与碳载体质量比)时的面积活性低于实心碳载铂催化剂(Pt/XC72),但当I/C增大到与膜电极中一致时,由于Nafion树脂对Pt催化剂的毒化作用增强,其面积活性反而优于Pt/XC-72.Pt/NHPC850催化剂的高Pt分散性及其优异的抗Nafion毒化性能,使其在I/C为0.8时的质量活性为Pt/XC-72催化剂的1.34倍.MEA质子传输研究表明,即使在高加湿条件下,Pt/NHPC850质子电阻率仍高达72.6 mΩ·cm^(2),为Pt/XC-72的3倍.Pt/NHPC850制备的膜电极极化曲线在500 mA/cm^(2)电流密度下性能迅速下降,Pt/NHPC850的氧增益电压达到144.4 mV,比Pt/XC-72高56.7 mV.表明Pt/NHPC850膜电极的质子传输和氧传输性能较差.对比Pt/NHPC850催化剂的RDE和MEA的测试结果,说明以层级多孔碳为载体的铂碳催化剂虽然耐Nafion毒化能力提高,但是质子和氧气的氧传输性较差,此类层级多孔碳还需进一步优化其结构,才有可能满足低铂质子交换膜燃料电池(PEMFC)的应用需求.

关键词：层级多孔碳可达催化剂质子交换膜燃料电池

基于BAS改进PSO算法对PEMFC温度的控制

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太阳能学报 2023年第5期44卷 67-73页

作者：陈际袁守利刘志恩武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉430070 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

有效的质子交换膜燃料电池(PEMFC)热管理是提升其可靠性和耐久性的关键因素之一,该文通过控制PWM占空比来控制散热强度进而控制电池温度。在控制策略上,选用经改进的粒子群算法优化的模糊PID作为控制器,最后经Matlab/Simulink搭建的电... 详细信息

有效的质子交换膜燃料电池(PEMFC)热管理是提升其可靠性和耐久性的关键因素之一,该文通过控制PWM占空比来控制散热强度进而控制电池温度。在控制策略上,选用经改进的粒子群算法优化的模糊PID作为控制器,最后经Matlab/Simulink搭建的电堆温度模型仿真表明:该方法能有效解决PEMFC温度控制时变量多、强耦合的难题,使相对于传统的PID控制超调量下降57%,响应时间缩短27.8%,取得了响应速度快、超调小和鲁棒性强的控制效果。

关键词：粒子群算法热管理模糊控制 PID控制质子交换膜燃料电池

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燃料电池空气系统增湿器建模与仿真

太阳能学报 2022年第8期43卷 504-509页

作者：刘志恩罗玉兰周辉卢炽华杜常清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 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉430070

建立气-气增湿器的数学理论模型,并基于Amesim软件建立燃料电池增湿器及空气系统仿真模型,从燃料电池系统层面分析干湿侧不同温度、压力、水含量等输入条件下的干侧出口空气的湿度变化情况,并采用水转移率(water vapor transfer rate,WV... 详细信息

建立气-气增湿器的数学理论模型,并基于Amesim软件建立燃料电池增湿器及空气系统仿真模型,从燃料电池系统层面分析干湿侧不同温度、压力、水含量等输入条件下的干侧出口空气的湿度变化情况,并采用水转移率(water vapor transfer rate,WVTR)对增湿器增湿性能进行评价,结果表明此模型可进行前期验证,能较好地预测汽车运行过程中增湿器的动态响应特性。

关键词：质子交换膜燃料电池建模仿真增湿器 Amesim 水转移率

不同操作和环境条件下的PEMFC低温冷启动数值模拟研究

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太阳能学报 2022年第6期43卷 460-466页

作者：赵杰李文浩杜常清卢炽华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 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室武汉430070

基于COMSOL建立质子交换膜燃料电池低温冷启动一维瞬态多物理场耦合模型,该模型考虑气态水和膜态水在0℃以下结冰来研究恒电压输出、恒电流输出、膜态水初始含量以及环境温度等不同操作和环境条件对质子交换膜燃料电池低温冷启动性能的... 详细信息

基于COMSOL建立质子交换膜燃料电池低温冷启动一维瞬态多物理场耦合模型,该模型考虑气态水和膜态水在0℃以下结冰来研究恒电压输出、恒电流输出、膜态水初始含量以及环境温度等不同操作和环境条件对质子交换膜燃料电池低温冷启动性能的影响。结果表明,恒电压输出模式下,低电压操作相对于高电压能产生更多的热,温度上升更快,但结冰速率也会激增,从而导致性能衰减更快;恒电流输出模式相较于恒电压能达到更高的温度,但需更好的气体传质能力;如果低温冷启动之前吹扫不足导致膜水含量较高,膜的储水能力下降,这将造成输出性能下降更快,不利于冷启动的成功进行;启动时环境温度的不同会直接影响燃料电池低温冷启动成功与否,仅依赖被动加热成功启动的初始环境温度存在极限值。

关键词：燃料电池质子交换膜数值模拟一维瞬态模型低温冷启动

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热电转换器件的研究进展与挑战

中国材料进展 2022年第12期41卷 965-978,1055页

作者：魏平李龙舟朱婉婷聂晓蕾张健强赵文俞张清杰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 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) 广东佛山528000

热电转换器件作为能实现电能与热能直接相互转换的功能器件,在工业废热回收利用、深空深海电源、半导体制冷、双向精确控温等领域具有重要应用。综述了6类热电转换器件的拓扑结构设计、连接界面控制、集成制造和热电转换性能提升策略等... 详细信息

热电转换器件作为能实现电能与热能直接相互转换的功能器件,在工业废热回收利用、深空深海电源、半导体制冷、双向精确控温等领域具有重要应用。综述了6类热电转换器件的拓扑结构设计、连接界面控制、集成制造和热电转换性能提升策略等方面的研究进展,内容包含基于块体热电材料的低温、中温和高温单级热电转换器件以及低-中温级联热电转换器件,基于热电磁能源转换材料的热电磁全固态制冷器件,以及基于人造倾斜结构复合材料的横向热电转换器件。同时,简要评述了热电转换器件研究目前面临的诸多挑战,如热电发电应用存在异质界面失稳、热电制冷应用存在材料加工和器件集成困难等。

关键词：热电转换器件拓扑结构连接界面应用技术挑战难题