质子交换膜燃料电池催化层模型研究进展与展望

质子交换膜燃料电池是一种零/低碳排放的高效能量转换技术,对我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义.催化层是直接决定电池性能与寿命的关键组件之一,也是电池规模化商用的核心.催化层具有复杂的多物理场多尺度耦合输运反应过程,需要借助精确的数值模型来理解内部的传输与反应机制.本文回顾了近年来氢燃料电池催化层模型的研究进展,重点介绍了典型模型的建模思想,讨论了不同模型的适用性,简述了典型应用参考实例,并对模型的未来研究方向提出了一些建议.     

聚电解质燃料电池中的质子交换膜研究进展

聚电解质燃料电池(polyelectrolyte fuel cells, PEFCs)是汽车、固定式和便携式应用中极具前途的可清洁发电设备.质子交换膜是PEFCs中的重要组成部分之一.它在电池中起着阻隔燃料、传递质子的作用,其性能的优劣会直接影响PEFCs高效、稳定的运行.本综述主要总结了近20年质子交换膜的发展历程,从PEFCs的工作原理出发,首先引出质子交换膜在PEFCs中的重要作用,然后考察了质子交换膜的结构特点及其应用于PEFCs的传质特性.重点强调了质子交换膜结构对低温PEFCs性能的影响,主要包括全氟质子交换膜、含氟质子交换膜和非氟质子交换膜,以及近期开发的新一代质子交换膜.在低温质子交换膜的基础之上,还针对高温PEFCs介绍了高温质子交换膜的发展和面临的挑战.最后,展望并预测了未来质子交换膜的发展方向.     

低铂质子交换膜燃料电池氧还原催化剂的研究进展与展望

Pt基催化剂是氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)最有效的催化剂,然而有限的Pt资源和高Pt载量严重制约了质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)的规模化应用.开发同时具有低Pt含量、高活性的ORR催化剂是推动PEMFCs大规模商业化的有效途径.本文从纯Pt催化ORR的机理出发,对当前研究中具有优异性能的均匀Pt合金催化剂和核-壳结构Pt基催化剂的ORR催化机理进行了阐述,并概述了其研究进展、研究策略和制备方法.尽管目前的研究致力于对Pt基纳米颗粒的形貌、粒径、元素组成和晶面等进行精确设计和调控,并在实验室层面实现了活性和耐久性的显著提升,但是现有常用制备方法存在的问题使得其商业化生产无法取得突破进展.最后对Pt基催化剂的规模化制备提出了见解,并对其前景进行了展望.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

质子交换膜燃料电池冷启动研究及策略优化现状

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)汽车以其能量转换效率高、续航里程长、零排放等突出优势,在“双碳”目标的背景下引起了广泛的关注.然而,在低温环境下的冷启动问题成为限制其商业化和推广应用的一大障碍.因此,研究人员进行了大量的实验与仿真来研究燃料电池冷启动的衰减机理、水传输相变和传热机理以及启动策略优化.通过对冷启动电池的输出性能和微观结构进行测量与表征,发现由于冰的产生覆盖反应活性位点、堵塞气体通道、增大电接触阻抗导致性能下降,由于水冰相变的体积变化破坏了内部结构导致耐久性下降.通过对启动过程中水和冰的分布、传输与相变过程进行研究,发现反应产物水首先以膜态水使质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)和催化层(catalyst layer, CL)的含水量达到饱和,接着以过冷水的形式在低温下保持液态,最后排出电池或突然结冰.通过研究冷启动的传热过程发现,电堆中间部分的电池单元和单电池的中间区域升温最快,为产热的主要区域,阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction, ...     

从文献统计看世界车用燃料电池研发的生态与演变:主要国家研发布局对比与启示

经过近10年的快速发展,车用燃料电池的性能、寿命和成本在国际上已经取得了突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近.为鸟瞰全球车用燃料电池研发布局,梳理技术发展脉络,掌握科技创新的新动向,本文通过对车用燃料电池文献的检索与统计,详细分析了世界车用燃料电池论文与专利的数量与质量、研发重点领域与分工、研究机构的性质与数量、参与的广泛度与集中度等研发生态与演变.在此基础上,对比分析了我国燃料电池汽车与国际先进水平的差距和存在的问题,从研发布局的角度探寻了优化我国燃料电池汽车产业化研发的方向.     

Co基非贵金属催化剂的制备及其氧还原电催化性能

通过热分解法, 以过渡金属-有机小分子络合物为前驱体制备了含有Co, O和N的非贵金属催化剂. 对催化剂进行了结构表征和氧还原电催化性能测试, 并分析了合成过程及分解温度对产物催化性能的影响. 结果表明, 200℃分解产物的氧还原电流达到0.60 mA/mg@-0.4 V( vs.SCE), 通过进一步研究, 有望成为氧还原电化学催化剂, 应用于质子交换膜燃料电池阴极. 研究结果同时表明, 热分解温度对分解产物结构和表面N含量有很大影响, 300℃以上才能分解完全, 600℃直接还原成单质Co; 300℃热解产物比200℃热解产物的表面N含量低, 因而其催化活性也偏低.     

高强铝合金在不同环境下的应力腐蚀行为

采用预裂纹双悬臂梁试样(DCB试样)在4种不同的实验室模拟腐蚀环境中测试了4种新型铝合金7B04/T741, B95/T2, 2D12/T4和2D70/T6的应力腐蚀敏感性, 并与海南万宁试验站和青岛团岛试验站两个海洋环境下的户外大气试验的结果作对比, 分析了4种实验室模拟环境试验对实际使用环境的模拟加速性, 根据试验中的一些现象, 对DCB试验的方法做了一些讨论. 结果发现, 4种合金都有一定的应力腐蚀敏感性, 但不同的加速试验得到的应力腐蚀敏感性顺序不同, 所采用的4种实验室环境模拟加速试验方法的模拟加速性并没有明显的差异.     

三角形钢管拱桁架在脉冲载荷作用下的动力稳定性

本文研究单榀拱桁架在三角形脉冲载荷作用下的动力稳定性.采用ANSYS/LS-DYNA有限元动力分析程序对某娱乐场112m跨单榀拱桁架进行了数值模拟计算,计算中同时考虑几何非线性和材料非线性效应.并研究了矢跨比和桁架高度对结构动力稳定性的影响.