过度充电对全钒液流电池性能的影响

目的研究过度充电对全钒液流电池性能和使用寿命的影响.方法通过试验获得全钒液流电池的充放电特性和交流阻抗特性;采用扫描电镜获得过度充电后电池电极和质子交换膜表面特征;运用等效电路法获得过度充电后全钒液流电池内部阻抗等效元件和等效电路,分析过度充电对电池等效元件阻抗的影响;运用SEM图解释等效阻抗变化规律.结果过度充电后,钒液流电池交流阻抗图谱出现Warburg阻抗区,电池流场、电极石墨毡和质子交换膜均出现不同程度的腐蚀现象.结论过度充电后,电池内部电荷传递阻力和石墨毡内反应物、生成物的扩散阻力增大,等效欧姆阻抗增大,而对法拉第阻抗影响较小.     

全钒液流电池充放电特性及其影响因素试验

目的探索全钒氧化还原液流电池中电流密度、电解液浓度、电解液流量大小等操作参数对钒电池性能、能量效率的影响.方法将Nafion117膜、石墨毡和带流场的集流板组装成全钒液流电池,采用日本菊水电子工业株式会社制造的液流电池测试平台,测试了全钒液流电池充放电特性、库伦效率、电压效率和能量效率,分析了充放电电流和电解液浓度对全钒液流电池充放电特性、库伦效率、电压效率和能量效率的影响.结果研究发现:增大充放电电流密度和电解液浓度,可以缩短全钒液流电池充放电时间;增大充放电电流密度,可提高电池的库伦效率,而降低电池的电压效率和能量效率;增大电解液浓度,电池的库伦效率、电压效率和能量效率都降低.结论增大电流密度,可以降低电池的自放电和减少电池的副反应的发生,从而减少电池的充放电时间,电池的库伦效率增加;增大电流密度,欧姆极化产生的电压损失增加,电池的能量效率和电压效率降低;增大电解液浓度,单位体积内参加电化学反应的活化分子数增加,在电解液体积一定的情况下,电池的充放电时间缩短,库伦效率、电压效率和能量效率增加;增大电解液流量,电池的传质电压损失减少,浓差极化产生的过电位减少,电池性能越好.研究结果对优化全钒液流电池的操作参数、推动其运用具有重要意义.     

HT-PEM燃料电池性能实验分析

目的研究电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池的性能影响.方法通过电化学工作站测试了HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,利用等效电路法分解得到HT-PEM燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度、氢气流量和空气流量对燃料电池的伏安特性、欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果电池温度、氢气流量和空气流量对高温质子交换膜燃料电池性能有一定影响,温度升高和增大气体流量能够一定程度地提高高温质子交换膜燃料电池的性能.HT-PEM燃料电池的性能不会随着气体流量的增加而一直增加.结论升高温度降低了燃料电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗;氢气流量变化和空气流量变化对欧姆阻抗和法拉第阻抗没有明显影响.     

交流阻抗法测试质子交换膜电导率的研究

介绍了交流阻抗谱法测试质子交换膜质子电导率的原理与等效电路.并以Nafion117膜为例介绍了采用交流阻抗法测试其电导率的测试夹具及测试平台的设计和搭建,给出了Nafion117膜的交流阻抗谱图以及膜质子电导率随温度的变化曲线.采用交流阻抗法测试质子交换膜的电导率是质子交换膜燃料电池性能测试的重要手段.     

水在Nafion膜中扩散行为介观分析

目的从介观角度研究水在全钒液流电池隔膜中的传质特性.方法采用耗散粒子动力学模拟方法,使用Materials Studio软件构建Nafion膜与水的粗粒化模型,分析了Nafion膜中水通道三维拓扑结构,研究温度、水含量对Nafion膜中水的扩散行为的影响.结果随水含量的增加,全钒液流电池隔膜中的水团簇逐渐形成相互连接且贯穿的海绵状连续水通道、隔膜中磺酸基配位数增加、水在膜中的扩散系数增大;随着温度升高,水在隔膜中的扩散系数增大;在磺酸基周围配位的水分子大部分分布在0.5 nm范围内.结论在一定范围内增加水含量和提高温度有利于Nafion膜中的质子传递,可以提高全钒液流电池的性能.     

全钒液流电池传质及数值分析

目的研究电池内部传质及反应机理,分析钒离子浓度、电解质电势、电解质电流密度的分布以及电解液浓度对电解质电势和过电势的影响.方法基于电池内部的传递规律与反应相耦合的机理,建立三维数值模型,模拟全钒液流电池中的传质规律.结果在放电过程中,沿电解液流动方向,反应物离子浓度逐渐减少,生成物离子浓度逐渐增加;电解质电流密度在膜表面达到最大,向两侧的集流体方向逐渐降低;沿电解液流动和阴极指向阳极的方向,电解质电势逐渐降低.结论集流体附近电化学反应更剧烈,质子在Nafion膜中的传递主要是依靠电渗作用和浓差作用.     

石墨毡电极酸、热处理方法对全钒液流电池性能的影响

目的研究聚丙烯腈基(PAN)石墨毡电极的酸、热处理方法对全钒液流电池放电性能及交流阻抗的影响.方法先对石墨毡在不同酸、热条件下进行处理,然后对处理后的石墨毡电极进行循环伏安特性试验和SEM表面测试分析,最后再将处理后的石墨毡电极组装到全钒液流电池中,对电池进行性能试验,采用等效电路法对交流阻抗进行分析.结果酸化处理和热处理可以提高电池的性能,降低法拉第电阻阻值,使电化学反应变得容易.试验表明经过酸处理(98%H_2SO_4、5 h)和热处理(400℃、30 h)石墨毡电极性能较好.结论酸处理后的石墨毡电极表面含氧官能团数量增加,对电化学反应有催化作用;热处理后的石墨毡电极表面活化位置增多,有效比表面积增大,进而提高了钒电池的性能.     

基于耗散粒子动力学的Nafion膜内质子扩散行为

目的研究质子在Nafion117膜内的扩散行为及其最优水合形式.方法采用耗散粒子动力学(DPD)方法,利用Materials Studio软件构建质子在Nafion117膜内传递模型,通过介观模拟获取径向分布函数和扩散系数.结果当Nafion117膜含水量达到一定程度时,水通道相互连通,构成水合质子的传递通道;增加Nafion117膜的水含量和提高温度,有利于水合质子的扩散.结论质子在Nafion117膜内传递最优水合形式为H_3O~+(H_2O)_2,研究成果为全钒液流电池性能的提升提供了重要依据.     

液流电池电解质的溶液化学研究最终报告

针对高稳定性、高活性全钒液流电池电解液以及高能量密度单液流电池沉积型电对及固体电极电化学性能与电解质溶液之间构效关系、高稳定性浓电解质溶液化学理论及作用机制等关键科学问题,以具备较大应用潜力的全钒双液流以及锌/镍、全铅单液流电池体系电解质的溶液化学为研究重点,通过电化学测试与材料物性表征相结合,深入研究了电解质溶液对全钒双液流以及碱性沉积型锌负极和电池性能的影响,阐明了电解液流速、锌沉积面容量和电流密度的关联;考察了不同种类的无机、有机添加剂以及添加剂中的官能团对电解液的热稳定性以及电化学活性的影响,深入研究了电解液溶液及添加剂对固体氧化镍正极活性和稳定性的影响,探讨了电解液添加剂与锌负极和氧化镍正极的相容性;研究了全铅单液流电池电解质溶液的物化性质,探明电解液组成对电极性能的影响规律;研究了电解液添加剂对全铅单液流电池电极性能的影响及其作用机制;考察了支持电解质对电解液的热力学稳定性、电化学活性以及循环稳定性等的影响,优化了电解液的组成,提高了电池充放电的能量效率和循环稳定性。重要的创新点包括以下方面:(1)确定了对于全钒液流电池电解液的热稳定性和电化学性能具有积极作用的添加剂结构和支持电解质组成;(2)阐明全铅单液流电池电解液中铅活性离子对电极性能的影响规律,优化了铅离子浓度;(3)提出电解液中添加电解PbO_2,降低沉积型PbO_2电极极化,抑制铅累积和枝晶的新方法,获得了高活性、高沉积均匀性Pb负极和PbO_2正极。     

燃料中CO_2杂质对高温质子交换膜燃料电池性能的影响

目的研究燃料中添加不同浓度的CO2对高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池性能的影响.方法运用燃料电池测试系统对HT-PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗特性进行测试,并采用等效电路分析获得了HT-PEM燃料电池的等效元件,分析了重整燃料H2中CO2含量对HT-PEM燃料电池伏安特性和交流阻抗特性的影响.结果氢燃料中的CO2对HT-PEM燃料电池有一定的毒化作用,主要体现在CO2吸附在催化剂表面,形成了Pt-CO键,降低了电池的开路电压,导致浓差极化加剧.如果通入纯氢气燃料,电池性能可恢复至95.3%水平.结论提高燃料中CO2的含量,燃料电池的法拉第阻抗增大,电池的性能降低;随着温度的升高,电池系统对CO2的容忍度降低;CO2对电池性能的影响可以得到恢复.     

基于温度条件下PEM燃料电池的动态特性

目的研究温度变化对PEM燃料电池动态特性的影响,分别比较不同加湿温度和电池温度下PEM燃料电池的动态特性,找到最佳加湿温度和电池温度.方法通过测试PEM燃料电池的伏安特性和交流阻抗,采用等效电路法研究燃料电池中的欧姆阻抗和法拉第阻抗,分析电池温度和加湿温度对燃料电池的伏安特性,欧姆阻抗和法拉第阻抗的影响.结果实验得出电池温度和加湿温度不同对PEM燃料电池的影响不同;不同的电池温度和加湿温度对电池的电阻变化影响不同.结论当加湿温度低于电池温度10K时,电池性能最好,欧姆阻抗和法拉第阻抗最低;因此实验结果对PEM燃料电池性能的优化具有重要意义.     

Bi/石墨毡电极对铁铬液流电池性能的影响

石墨毡是液流电池的首选电极材料,而Bi增强石墨毡电极材料在铁铬液流电池中的应用参数并不完善.本文将不同浓度的BiCl3加入到电解液中,并将石墨毡电极切割形成交叉型流道,组装铁铬液流电池.通过充放电测试分析BiCl3含量以及流道对铁铬液流电池循环充放电性能的影响,并采用场发射扫描电镜对充放电后的石墨毡进行成分分析,利用循环伏安曲线和交流阻抗谱图分析Bi对正负极反应活性的影响.结果表明,电解液中BiCl3的浓度为5 mmol/L时,铁铬液流电池容量和效率的综合效果最优.     

低湿度下质子交换膜燃料电池的交流阻抗分析

采用Nafion(112膜制备膜电极(MEA)并对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了无外增湿条件下E-I极化曲线和电化学交流阻抗谱(EIS)的测试。对比分析了20和55℃时的交流阻抗谱图,结果表明不同温度下EIS中代表质子传导电阻的Rhf值和电荷转移电阻的Rct值有明显不同,低电流密度下的Rhf值和E-I极化曲线上的欧姆极化区具有更好的一致性。电池在15 mA.cm-2的恒电流密度下放电时,随着温度升高Rhf值和Rct值都相继增大,其中Rhf值随温度升高有显著变化,是导致PEMFC在操作温度超过45℃时性能降低的主要因素。     

质子交换膜燃料电池在不同放电状态下的阻抗分析

针对质子交换膜燃料电池在不同放电状况下具有不同阻抗的特性,通过电化学阻抗谱法测量了单蛇形流场质子交换膜燃料电池在不同放电电流下的电化学阻抗谱图,并通过R(QR)等效电路模拟得到电池在不同工作状态下的电路元件参数.实验结果表明,由于随着放电电流的增大,电池内的水由少到多再到过量,从而引起电极上的反应过程由慢到快再变缓,因此电池内部的电荷转移电阻先减小后增大.在大电流情况下,由双电层充放电效应引起的附加阻抗比较明显,使得放电电流越大,电池的系统阻抗增大越显著,而在中等放电电流(5 A)时,电池系统的阻抗最小.     

全钒液流电池正极传质的介观分析

目的研究全钒液流电池正极传质的介观机理,为多孔电极传质效率的提高和全钒液流电池整体性能的提升提供理论指导.方法采用粗粒化分子动力学模拟方法,分析全钒液流电池正极反应中各粒子的介观传递特性.分析电池荷电状态(SOC)、温度、碳纳米管长度以及碳纳米管含量对正极电解质中各组分粒子扩散系数和有序性的影响.结果粒子扩散系数随着温度增高而增大,但随碳纳米管长度的增加而减小.当电池荷电状态SOC为50%时,溶液中离子种类最多,多种离子间的相互作用阻碍单个离子的扩散,从而降低了电解液中各粒子的扩散系数.在碳纳米管质量比为1/4～1/2,正极电解液浓度较低,减小了VO2+和VO+2之间的缔合作用,溶液黏度也随之下降,有利于扩散.结论深入研究全钒液流电池正极传质过程,降低因传质因素导致的浓差极化,增大电池反应速率.     

质子交换膜燃料电池欧姆阻抗的试验研究

为了解质子交换膜燃料电池(PEMFC)欧姆阻抗的影响因素,用断电法测出了不同工作温度、不同增湿条件、不同进气过量系数、不同工作压力下的欧姆阻抗。试验结果表明,PEMFC欧姆阻抗随工作温度的提高而减小,随进气湿度的增大而减小,受工作压力和进气过量系数的影响较小。欧姆阻抗的明显增大可作为PEMFC质子交换膜变干的判定依据。合理控制工作温度、进气湿度等参数,可以减少欧姆极化损失,提高PEMFC的工作效率。     

直接甲醇燃料电池运行参数的研究

以载量均为4 mg/cm2的Pt-Ru黑和Pt黑分别为阳极、阴极催化剂,以碳布为扩散层,以Nafion115为质子交换膜,制备膜电极,组装直接甲醇燃料电池并通过恒电位法和交流阻抗法分别测试性能和阻抗. 研究考察了各种工艺参数对电池电化学性能的影响,得出55 ℃下最佳工艺参数为:甲醇浓度为1.5 mol/L、流量为1.5mL/min时阳极反应达到最优,氧气压力在0.3 MPa、流量在800 mL/min时阴极反应达到最佳.     

扩散层对ab-PBI膜高温燃料电池阴极内传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的扩散层孔隙率及其厚度对于提高其性能的影响.方法建立一个二维、单相、稳态数学模型研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气扩散传递规律.模型耦合了质量守恒方程、动量方程、能量方程、组分方程和催化剂层中的Butler-Volmer方程,研究扩散层孔隙率及其厚度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在气体流动方向,氧气浓度逐渐降低,水分浓度逐渐升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度逐渐降低,而水分浓度渐渐升高.减小扩散层的厚度和增大扩散层孔隙率,在气体流动方向,氧气浓度降低的梯度变大,水分浓度升高的梯度也越大;在扩散层和催化剂层厚度方向,氧气浓度降低的梯度变小,水分浓度增大的梯度也越小.结论在一定范围内降低扩散层厚度和增大孔隙率有利于氧气的输入和产物水的排出,提高高温质子交换膜燃料电池性能,对高温质子交换膜燃料电池结构参数的优化及电池的推广应用具有重要影响.     

磷酸铁锂动力电池阻抗谱参数分析

以电动汽车用动力锂离子电池为测试对象,通过等效电路拟合实际测量的电化学阻抗曲线来分析电池电极系统的动力学过程,并选取等效电路模型在不同荷电状态下的参数分析不同交流阻抗组份及阻抗特性对电池充放电特性的影响。 结果表明:基于阻抗谱测试得到的等效电路模型参数有利于得出更高精度的电池电荷转移阻抗以及扩散阻抗,并且较好地区分电化学极化和浓差极化,可以用于分析不同温度和不同荷电状态的电池充放电性能。      

全钒液流电池用SPFEK／PPy复合膜

为了降低质子交换膜磺化聚芴醚酮（sulfonated poly（fluorenyl ether ketone）,SPFEK）在全钒液流电池应用中的钒离子渗透率,采用吡咯（pyrrole,Py）单体和SPFEK为原料制备了SPFEK／PPy（polypyrrole,PPy）复合膜。在pyrrole中浸渍SPFEK膜通过氧化法聚合Py得到SPFEK／PPy复合膜,根据SPFEK膜在pyrrole中浸泡时间不同,得到一系列SPFEK／PPy复合膜。对SPFEIC／PPy系列膜进行性能表征,发现随复合膜的吸水率提高,导质子率降低,抗钒离子渗透率明显增强。综合各种性能,选择综合性能最好的SPFEK／PPy-1复合膜组装全钒液流电池来评价电池性能。结果表明,相对于纯SPFEK膜,在各个电流密度下,电池的放电时间明显增长,库伦效率均增大了约5％。