商业可行的质子交换膜制氢催化剂制备和评价

在碳中和的背景下,通过构建高活性和高稳定性的电催化剂来降低贵金属成本,是近期大规模开发质子交换膜（PEM）电解水制氢技术的必然路径。本文采用简便、高效且易于放大（公斤级）的方法制备了纳米级IrO2和IrxRu1-xO2催化材料,并对合成条件进行了优化。利用三电极体系进行析氧活性测试,在10 mA/cm2下IrO2和IrxRu1-xO2过电位分别达到274 mV和230 mV,比商业IrO2分别降低39 mV和83 mV。在基于Nafion117质子交换膜的电解槽中对这些催化剂进行了评价,在60 ℃和2 A/cm2电流密度下电解电压低至2 V,且可稳定运行200 h以上。这些结果揭示了高活性的铱基氧化物在PEM电解水中大规模应用的可行性。     

质子交换膜燃料电池薄金属双极板性能优化与设计

针对质子交换膜燃料电池制造技术实用化的瓶颈，研究了质子交换膜燃料电池低成本制造与性能优化问题，建立了质子交换膜燃料电池半个单池的三维计算模型，采用计算流体动力学技术对阳极燃料气体（H2）流场进行了数值模拟；以阳极最大燃料气体（H2）利用率为目标优化流场板沟槽尺寸，设计了一种操作成本低、容易批量生产的板料冲压成形薄金属双极板结构，可增大电池组体积比功率和提高燃料电池的性能；利用弹塑性有限元方法模拟阳极流场板冲压成形过程，验证了板料冲压成形金属双极板结构的可行性．     

固体氧化物电解水制氢系统效率

电解水与高效清洁一次能源耦合制氢,是理想的大规模制氢技术。该文建立了电解水制氢系统效率评估模型,并通过该模型对碱性、固体聚合物电解池(SPE)及固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统总制氢效率进行了计算与分析。碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%;而SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%,分别是SPE与碱性制氢系统的1.5和2倍。高温气冷堆耦合的SOEC电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。     

固体氧化物电解水制氢系统效率

电解水与高效清洁一次能源耦合制氢,是理想的大规模制氢技术。该文建立了电解水制氢系统效率评估模型,并通过该模型对碱性、固体聚合物电解池(SPE)及固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统总制氢效率进行了计算与分析。碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%;而SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%,分别是SPE与碱性制氢系统的1.5和2倍。高温气冷堆耦合的SOEC电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。     

开路电压工况下燃料电池膜电极耐久性研究

采用开路电压(OCV)工况研究了质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的耐久性,在OCV工况运行过程中,定期地通过极化曲线、电化学交流阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)、短路电阻测试等在线测试方法对膜电极性能进行分析。当OCV工况运行结束后,采用扫描电镜(SEM)、离子色谱对质子交换膜(PEM)厚度和阴、阳极废水进行分析。结果表明,在OCV工况下运行115h后,PEMFC的开路电压由1.013V下降到0.794V,最大功率密度由538.8mW/cm~2下降到196mW/cm~2;在线电化学测试结果表明,欧姆电阻先减小后增大,氢气渗透通量逐渐增大,短路电阻逐渐减小;离子色谱测试结果表明,阴极和阳极废水中都存在氟离子;SEM表征发现,PEM厚度减小;在OCV工况下,PEM发生了衰减,从而导致PEMFC开路电压下降和性能衰减。研究结果表明PEM是影响膜电极耐久性的重要因素。     

质子交换膜燃料电池性能影响因素的数值分析

为研究交指流场质子交换膜燃料电池的输出性能,分析影响其性能的因素,寻找改善其性能的可行措施,探讨了使用交指流场流道的必要性和优越性,建立了包括质子交换膜燃料电池阴极/阳极侧流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的完整的稳态、三维、两相数学模型.基于计算流体力学方法,用该模型对交指流场质子交换膜燃料电池的全流场进行了统一的数值计算以模拟其输出性能,分析了流场流型、氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度和双极板筋宽对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,确定了提高质子交换膜燃料电池输出性能的一些方法.将理论模型的模拟计算结果与实验结果进行比较,两者较为吻合.     

电化学阴极制氢耦合阳极废水污染物降解的研究进展

电解水制氢是一种绿色制氢技术，但其能源效率受到阳极析氧反应(OER)动力学的限制。针对这一问题，系统总结和论述了一种将电化学制氢与治污耦合来降低能耗的系统，该系统的优势是以阳极氧化污染物取代OER反应，在降低电解水制氢能耗的同时实现污染物的处理，达到制氢与治污的有机结合。论述了制氢和治污耦合系统中的电解槽设计对耦合反应的关键作用，设计合理的电解槽有利于获得更高的制氢和治污效率；开发性能稳定的电极材料是实现高效制氢与治污耦合的另一关键方面，镍基、钴基、铜基材料及它们的复合材料都被作为电极材料用于电催化制氢和治污耦合系统，以提高系统的稳定性和制氢及有机污染物降解的效率；醇类、酚类、醛类、尿素、肼、胺等有机物及液氨和含硫化合物等都被用于与制氢结合构成制氢和治污的耦合体系，这些物质的加入可以提高系统的电子利用率、防止O₂/H₂混合，不仅可以实现绿色产氢，还能够在制氢的同时降解污染物甚至生成更高附加值的化学品。对有机物去除耦合电解水制氢系统的影响因素、反应机理和存在问题等进行了深入分析，以期为电解水制氢与治污耦合系统的研究和应用提供一定的理论依据，并对...     

PEM水电解池装配接触压力试验

由于质子交换膜水电解池(proton exchange membrane water electrolyzer,PEMWE)核心组件膜电极(membrane electrode assembly,MEA)上的压力分布对电解池性能有较大的影响,因此,对水电解池不同装配方案对膜电极上压力分布的影响进行了研究.首先,采用压敏...     

质子交换膜燃料电池关键技术的研发进展

质子交换膜燃料电池具有启动速度快、能量密度高及清洁环保等优点，可广泛应用于燃料电池汽车、固定式电站和移动型电源等领域。本文简要介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理，综述了PEMFC的发展简史及研究进展。探讨了PEMFC的应用情况。从催化剂和电解质等关键材料，膜电极的性能，燃料的安全性与实用性，以及电池的寿命等方面详细分析了PEMFC的主要技术问题，并进一步展望了PEMFC的发展前景。     

质子交换膜燃料电池动态特性研究进展

本文综述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）动态特性的研究进展,分析了模型研究和试验研究的特点及其重要性,提出运用不同的研究方法对于全面了解PEMFC的动态特性及优化其结构和控制有实际意义。     

质子交换膜燃料电池的研究与应用

在能源和环境危机的今天,质子交换膜燃料电池由于其特点和优势有着更多的发展前景。文章在介绍质子交换膜燃料电池在各领域应用和发展现状的同时,也从电池材料和制造技术、成本、氢能源等几个方面进行了分析,阐述了质子交换膜燃料电池发展中面临和要解决的一系列问题。     

垫片材料在模拟的PEM燃料电池环境下损伤机制

垫片材料化学性能长时间的稳定性对质子交换膜(PEM)燃料电池密封及其性能至关重要。采用实验的方法研究PEM燃料电池垫片常用材料-硅橡胶材料在模拟的PEM燃料电池环境下的损伤情况。使用2种模拟的PEM燃料电池环境,采用X线光电子能谱(XPS)技术研究弹性体垫片材料暴露在模拟的PEM燃料电池环境下的损伤机制。试验结果表明,垫片材料暴露在PEM燃料电池环境下材料表面的化学结构发生了明显的变化,材料损伤机制主要是硅橡胶材料主链Si—O—Si和侧链Si—CH3逐渐断裂所致。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

论述了质子交换膜燃料电池的开发现状及国内外研究进展；同时介绍了趋于成熟的贮氢技术，包括质子交换膜、双极板、膜电极和电催化剂在内的关键技术、应用以及未来展望。     

二氧化钛电极光电解水制氢时电解池操作条件的研究

一、引言自从利用半导体电极光电解水制氢发现以来,在制备各种半导体电极并测试其性能方面,已作了相当广泛的研究,但对光电解池操作条件的研究却报道较少.A.J.Nozik 曾以单晶TiO_2为光阳极、以强紫外光作光源、在单室电解池中,研究了外加偏压、电解池内阻及光强等对光能转换效率的影响.K.Miyatani 等观察到阴极和阳极的面积比小于10时光电流较小,而大于10时光电流虽然较大,阴极却得不到氢气,但氢气产量和阴极而积之间的定量关系未曾测定.由这些工作看来,我们认为与单纯由光能得到电能的PG 电池不同.对于光能转换为化学能的PEC 电池来说,为了得到尽可能多的光电解产物——氢(即     

质子交换膜燃料电池阳极流场数值模拟及流场板沟槽尺寸优化

采用计算流体动力学(CFD)技术对质子交换膜燃料电池(PEMFC)、阳极燃料气体(H2)流场进行了数值模拟，以最大燃料气体(H2)利用率为目标进行了流场板沟槽尺寸优化．结果表明，当沟槽宽度为1．5mm，脊部宽度为0．5mm和沟槽深度为1．5mm时，燃料气体(H2)的利用率达到最大值84．8％．     

质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移

在混合流动模型的基础上,建立了一个新的二维两相流模型来研究质子交换膜燃料电池内水分的传递规律和分布状态,在该模型中,催化剂层作为一个有厚度的实体包含在电极中.模型耦合了质子交换膜燃料电池电极中的流动方程.组分方程、催化剂层和质子交换膜中的电势和电流密度分布方程,可以应用在质子交换膜燃料电池的阴极,也可以使用在阳极.同时,模型还考虑了相变引起的液相和气相间的动量变化,重点模拟了水分在燃料电池的阴极、阳极和质子交换膜中的传递规律及其分布状态.模拟结果显示:升高加湿温度、提高电流密度和降低电池温度都会使电池质子膜中的水分含量增大,质子传导率升高,也会使阴极中液态水含量增加,阴极浓差极化加剧.     

固体氧化物电解池结构对其性能的影响研究

固体氧化物电解池(SOEC)能利用可再生能源发电电能高效地将水和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳等燃料,同时具有高效、低成本、规模易控等优点,被认为是最有前景的储能方式.固体氧化物电解池结构变化会对电解池导电性能产生影响,同时,显著影响电解池内部的气体传输和传热过程,对电解池性能优化十分重要.为探究结构组成对固体氧化物电解池性能的影响,本文建立了一个固体氧化物电解池共电解水和二氧化碳的三维模型,分析加入阳极气体扩散层(AGDL)和金属泡沫流场对电解池极化曲线、过电势和气体分布等的影响.分析结果表明:相比于没有AGDL的电解池,加入AGDL可以改善脊下气体在催化层和流道之间的传输,同时增大电子传输横截面积,从而减小可逆电压和欧姆过电势.随着AGDL厚度增加,电解池性能改善幅度逐渐变小.将普通流场替换成金属泡沫流场可通过改善流场和多孔电极的气体传输,降低电解电压和提高电解效率.增加阳极泡沫厚度可以在一定程度上改善SOEC性能.而两极均采用金属泡沫流场,由于阳极金属泡沫避免了脊下多孔介质中的氧气积聚,可以进一步提高电解池性能,但性能提升相对较小.     

基于代理模型的直流道质子交换膜燃料电池优化设计

质子交换膜燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置.应用Kriging代理模型结合遗传算法对流道宽、流道高和岸宽3个几何参数进行了优化设计,以质子交换膜燃料电池的净功率作为优化的目标函数来评价质子交换膜燃料电池的性能.数值模拟应用了商业软件ANSYS FLUENT.优化后的质子交换膜燃料电池流道内具有更高的压力,使更多的反应气体参加电化学反应,因此优化后的质子交换膜燃料电池的性能得到了提高.     

三种运行参数对PEMFC动态响应的数值分析

为了探究在电流阶跃变化中工作温度、相对湿度和背压等运行参数对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响,运用相对湿度和工作温度之间的耦合变化推导出了动态计算（DT）模型。该模型通过工作温度和相对湿度来阐述膜电极参数和PEMFC性能之间的特性关系,并分析在电流阶跃变化中这两种运行参数对质子交换膜（PEM）内水传递特性、输出电压和功率密度随时间变化的瞬态响应的差异。采用理论计算结合试验的方式,首先通过自定义函数（UDF）将DT模型导入到Fluent软件中进行计算并应用有限体积法进行求解;其次开展PEMFC动态负载性能测试,测量工作温度为50℃、60℃、70℃,背压为0、10 kPa,相对湿度为50%、75%、100%,同时改变电流负载（阶跃幅度为5 A）来实现PEMFC对电流阶跃动态响应的测试;最后通过极化曲线和I-P曲线对DT模型和试验数据进行比较分析。结果表明：实验数据与DT模型的仿真结果之间有很好的相关性;不对称加湿是影响功率密度的一个主导参数;阳极相对湿度决定了功率密度在发生阶跃电流后稳定运行的能力;PEM水含量与功率密度下冲幅度和响应时间有关。因此,工作温度为60℃、背压为10 kPa、阳极相对湿度为75%、阴极相对湿度为100%时,PEMFC的动态性能最佳。     

质子交换膜电解池内氧气泡输运过程特性

研究了质子交换膜电解池(proton exchange membrane electrolysis cell,PEMEC)阳极流场内的氧气泡运动特性,采用VOF(volume of fluid)方法分析了多孔输运层(porous transport layer,PTL)表面接触角、液态水流速、氧气产生速率及PTL孔径对氧气泡在流道中运动特性的影响.结果表明:PTL处理为亲水性有利于气泡脱离,降低表面气体覆盖率,促进液态水到达催化层;高的液态水流速会减小气泡脱离时间及脱离体积,降低PTL表面气体覆盖率及容积含气率,促进气泡从流道中排出;气体生成速率增大会提高流道容积含气率和PTL表面气体覆盖率,不利于电解池的运行;随PTL孔径增大,气泡脱离体积增大,脱离时间先减小后增加.