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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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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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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

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氢电能量转化用高性能无机非金属材料

硅酸盐学报 2023年第9期51卷 2334-2348页

作者：孟子寒熊一飞陈原新吴明娟唐浩林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) 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室

随着国民经济的高速发展及能源消费的快速提升，能源匮乏和环境污染问题日益严重，人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，可作为电能、热能的有益补充，形成多元互补融合的... 详细信息

随着国民经济的高速发展及能源消费的快速提升，能源匮乏和环境污染问题日益严重，人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，可作为电能、热能的有益补充，形成多元互补融合的现代能源供应体系。但中国氢能技术起步较晚，氢电能量转化中的电解水制氢和氢燃料电池部分关键材料长期依赖进口，亟需完成国产化替代。无机非金属材料具有高化学/电化学稳定性、高强度、耐高温等特性。本文综述了其在氢电能量转化器件中催化剂及载体、离子交换膜、扩散层、双极板等领域的研究进展及亮点，指出了氢电能量转化材料发展中存在的问题，并对未来研究方向做出了展望。

关键词：氢电能量转化电解水制氢燃料电池

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钙钛矿光伏的先进印刷技术研究进展

硅酸盐学报 2023年第9期51卷 2287-2305页

作者：蒋瑞轩柯秉灿朱泽伟童金辉卜童乐黄福志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分中心佛山仙湖实验室广东佛山528200

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、制备成本低等优势,展现出了巨大的应用潜力。然而,钙钛矿电池要实现产业化应用,就必须进行放大,制备出高效稳定的钙钛矿光伏模组,而其中高质量钙钛矿吸光薄膜的放大制备尤为关键。印... 详细信息

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、制备成本低等优势,展现出了巨大的应用潜力。然而,钙钛矿电池要实现产业化应用,就必须进行放大,制备出高效稳定的钙钛矿光伏模组,而其中高质量钙钛矿吸光薄膜的放大制备尤为关键。印刷是最廉价、绿色的宏量制备技术之一,也是目前钙钛矿大面积制备所广泛采用的主要技术手段。本文综述了刮涂、狭缝涂布、喷墨打印等6种印刷技术的工作原理和特点,分析了各技术的影响因素和调控机理,并总结了相应的研究进展,旨在为未来钙钛矿大面积制备研究和应用提供参考。

关键词：钙钛矿太阳能电池印刷技术成核与生长大面积光伏模组

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高电流密度下薄膜PEMFC自润湿特性研究

太阳能学报 2023年第10期44卷 564-571页

作者：陈小松朱瑞杰宋浩舒展宏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

为研究薄膜质子交换膜燃料电池在高电流密度下的自润湿特性,使用FLUENT建立三维多物理场稳态模型,并用实验结果验证模型的可靠性。研究发现:随着电流密度的增加,水分布均匀性会提高,1200 mA/cm^(2)为薄膜可实现自润湿的电流密度临界点,... 详细信息

为研究薄膜质子交换膜燃料电池在高电流密度下的自润湿特性,使用FLUENT建立三维多物理场稳态模型,并用实验结果验证模型的可靠性。研究发现:随着电流密度的增加,水分布均匀性会提高,1200 mA/cm^(2)为薄膜可实现自润湿的电流密度临界点,高于此电流密度时薄膜中可实现良好的自润湿。在高电流密度下,阴极的加湿会加剧局部水淹现象并导致电池性能下降。降低温度、增加背压及减小膜厚会提升膜的自润湿特性,且膜厚对薄膜的自润湿特性影响最为显著。

关键词：质子交换膜燃料电池水含量高电流密度自润湿薄膜

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缺陷单电池对车用燃料电池性能的影响研究

汽车工程 2023年第10期45卷 1876-1884,1943页

作者：周辉刘志恩李永超卢炽华杜常清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

缺陷单电池的存在对于燃料电池系统的可靠性及耐久性具有重要影响。本文通过电压巡检定位了电堆的缺陷单电池编号,基于稳态工况、阶跃工况、循环工况的试验结果分析了缺陷单电池的稳态和动态性能及其对电堆一致性和系统输出的影响。结... 详细信息

缺陷单电池的存在对于燃料电池系统的可靠性及耐久性具有重要影响。本文通过电压巡检定位了电堆的缺陷单电池编号,基于稳态工况、阶跃工况、循环工况的试验结果分析了缺陷单电池的稳态和动态性能及其对电堆一致性和系统输出的影响。结果发现,缺陷单电池相比正常电池对电堆温度更为敏感,动态响应速率慢,电压下冲与上调幅值大,循环工况电压波动剧烈。缺陷单电池是影响电堆一致性的重要因素,其电压波动率占比随变载幅度和速度的增加而增加。此外,在最低单电池电压低于0.5 V时,系统最大输出功率只达到了正常系统的76.57%。期望通过该研究为系统存在缺陷单电池时的控制策略提供参考。

关键词：缺陷单电池燃料电池系统动态特性一致性

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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车用大功率燃料电池发动机进气系统控制

汽车工程 2023年第11期45卷 2148-2156页

作者：石晨旭杜常清王超李兴意张家铭现代汽车零部件技术湖北省重点实验室(武汉理工大学) 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

为满足100 kW大功率氢燃料电池发动机工作时气体供应需求,开发进气系统控制策略。首先对燃料电池电堆及进气系统进行建模,依托被控对象模型设计开发了“MAP前馈+PID反馈”的阴、阳极进气控制策略,采用单片电压状态与系统效率加权求和的... 详细信息

为满足100 kW大功率氢燃料电池发动机工作时气体供应需求,开发进气系统控制策略。首先对燃料电池电堆及进气系统进行建模,依托被控对象模型设计开发了“MAP前馈+PID反馈”的阴、阳极进气控制策略,采用单片电压状态与系统效率加权求和的方式标定阳极吹扫时间,并通过台架测试验证了该策略部署到实际控制器中的控制效果。结果显示,在稳态和瞬态工况中均实现了对压力和流量的快速响应,使得电流拉载速率提高到120和-170 A/s,阳极压力稳态和瞬态控制精度分别为98.93%和95.10%,全功率单片电压平均值为15 mV,一致性较好。基于测试数据标定搭建了阴极进气系统状态方程,开发了集成非线性扰动观测器和基于Lyapunov直接法的非线性控制器的进气方案,经MIL仿真测试显示了对空气进气控制目标的准确控制,为进一步提高控制系统响应精度提供了理论基础。

关键词：氢燃料电池发动机系统建模进气系统控制台架试验 Lyapunov直接法