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质子交换膜燃料电池和电解槽关键组件衰减机理
1
作者 王帅 钱相臣 +2 位作者 章雷其 吴启亮 刘敏 《化工进展》 北大核心 2025年第7期3804-3815,共12页
可再生能源,尤其是氢能,通过与电能耦合可以减少碳排放,并且促进电网实现能源转型。燃料电池和电解槽是氢电耦合系统中关键的能量转换装置,其中基于质子交换膜技术的设备因运行时优异的波动适应性和很高的电流密度受到广泛关注,但成本... 可再生能源,尤其是氢能,通过与电能耦合可以减少碳排放,并且促进电网实现能源转型。燃料电池和电解槽是氢电耦合系统中关键的能量转换装置,其中基于质子交换膜技术的设备因运行时优异的波动适应性和很高的电流密度受到广泛关注,但成本高和耐久性差是制约其进一步商业化的关键因素。本文首先简要介绍了质子交换膜燃料电池和电解槽中关键组件,如质子交换膜、催化层、气体扩散层(多孔传输层)和双极板的组成和作用。然后,分别阐述了各个组件的衰减机理,分析认为化学衰减是更为常见的机理,机械衰减和热衰减次之。其中,电解槽阳极处于高电位、高温、强酸性和强氧化性的恶劣环境中,碳材料耐久性大幅下降,金属材料需要涂覆贵金属涂层,进一步使成本提高。最后,本文总结了针对各组件的衰减缓解措施,并对未来材料调整优化的方向进行展望。 展开更多
关键词 燃料电池 电解槽 质子交换膜技术 关键组件 衰减机理 缓解措施
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基于集成经验模态分解和极限学习机的质子交换膜燃料电池寿命预测 被引量：1
2
作者 陈景文 杨淇 +2 位作者 兰天一 华志广 赵冬冬 《太阳能学报》 北大核心 2025年第2期135-141,共7页
基于数据驱动的预测方法可实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)的寿命预测。为提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)寿命预测精度,提出将集成经验模态分解(EEMD)和粒子群算法(PSO)优化极限学习机(ELM)相结合的PEMFC剩余使用寿命预测方法。首先,采... 基于数据驱动的预测方法可实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)的寿命预测。为提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)寿命预测精度,提出将集成经验模态分解(EEMD)和粒子群算法(PSO)优化极限学习机(ELM)相结合的PEMFC剩余使用寿命预测方法。首先,采用移动平均滤波法在滤除噪声和尖峰的同时,保留原始数据的主要趋势;其次,通过EEMD对原始数据进行多时间尺度分解,得到不同时间尺度下PEMFC的老化信息;最后,将分解后的本征模函数分别通过PSO优化的ELM模型进行预测,能在保证预测精度的情况下降低运算复杂度。通过与经典的极限学习机模型预测结果进行对比,该方法能更加准确地预测PEMFC的老化趋势。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 预测 经验模态分解 极限学习机
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基于碱性-质子交换膜混合电解槽的离网型风光耦合制氢系统容量配置优化 被引量：2
3
作者 徐衍会 李冠霖 《电力自动化设备》 北大核心 2025年第4期1-9,共9页
未来绿氢的规模化发展需要走工艺离网型的技术路线。为此,结合风力/光伏发电、碱性-质子交换膜(ALK-PEM)电解槽和储能设备,构建风光耦合制氢系统,对其多目标优化配置进行研究。采用密度峰值优化的近邻传播快速聚类算法得到风光联合出力... 未来绿氢的规模化发展需要走工艺离网型的技术路线。为此,结合风力/光伏发电、碱性-质子交换膜(ALK-PEM)电解槽和储能设备,构建风光耦合制氢系统,对其多目标优化配置进行研究。采用密度峰值优化的近邻传播快速聚类算法得到风光联合出力典型场景;考虑ALK-PEM电解槽的特点,提出电解制氢单元的功率分配策略,结合风光耦合制氢系统的能量流动模式,以减小系统成本、提高系统能量效率和可再生能源利用率为目标,构建系统容量配置优化模型,并采用多机制第三代非支配排序遗传算法进行求解;对混合电解槽制氢系统与混合电解槽-储能协同制氢系统的多项指标进行对比分析。仿真结果表明:相比于混合电解槽制氢系统,协同制氢系统中的储能设备能够实现对电解槽功率的补偿,使得ALK电解槽所占比重有所提升,显著降低电解槽的启停次数,单位制氢成本和弃风弃光率分别降低了8.76%、54.01%,系统能量效率和内部收益率分别提高了34.85%、13.58%,验证了所提模型的有效性与灵活性。 展开更多
关键词 氢能 碱性电解槽 质子交换膜电解槽 风光耦合制氢系统 容量配置 功率分配
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基于气体扩散层接触压力均一性的质子交换膜燃料电池封装载荷优化研究
4
作者 杨硕 李楠 +4 位作者 谈柱恩 徐云飞 李江飞 刘智 林杰威 《可再生能源》 北大核心 2025年第9期1151-1158,共8页
文章建立了质子交换膜燃料电池三维有限元模型,研究燃料电池封装载荷对气体扩散层(GDL)接触压力均一性的影响,使用变异系数(C_(V))衡量GDL接触压力的均匀程度,并以C_(V)最小为优化目标,使用支持向量机、反向传播神经网络、粒子群优化算... 文章建立了质子交换膜燃料电池三维有限元模型,研究燃料电池封装载荷对气体扩散层(GDL)接触压力均一性的影响,使用变异系数(C_(V))衡量GDL接触压力的均匀程度,并以C_(V)最小为优化目标,使用支持向量机、反向传播神经网络、粒子群优化算法优化支持向量机和灰狼优化算法优化支持向量机建立代理模型,再将最佳代理模型作为优化算法中的适应度函数,通过灰狼优化算法对封装载荷进行优化。结果表明:与其他3种方法相比,使用粒子群优化算法优化支持向量机建立的代理模型的预测精度更高;与优化前相比,C_(V)减小了35%,接触压力均一性得到提升,燃料电池的可靠性和使用寿命均得到改善。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 气体扩散层 接触压力 封装载荷 优化
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质子交换膜电解池阴极催化层的孔隙网络模拟
5
作者 罗马吉 秦超超 +1 位作者 陈黎 陈奔 《江苏大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第3期293-300,共8页
为了探究催化层内部的水气传输和电子传导现象,建立了质子交换膜电解池阴极催化层的孔隙网络模型,获取了传输参数(渗透率、扩散率)以及电化学参数(电导率、电化学活性比表面积)随催化层微观结构的变化规律.结果表明:在催化层内部,随着... 为了探究催化层内部的水气传输和电子传导现象,建立了质子交换膜电解池阴极催化层的孔隙网络模型,获取了传输参数(渗透率、扩散率)以及电化学参数(电导率、电化学活性比表面积)随催化层微观结构的变化规律.结果表明:在催化层内部,随着水饱和度的降低,催化层不同方向上的气体相对扩散率和相对渗透率均逐渐增大,且当水饱和度为0~0.61时具有较佳的水气传输特性;催化层电导率随着铂颗粒半径的增大而非线性增大,铂颗粒半径由5 nm增大到20 nm时,电导率增大了55.7%;电导率随孔隙直径的增大而逐渐减小,但变化较小;催化层电化学活性比表面积随着铂颗粒半径或者孔隙直径的增大而非线性减小,且减小程度相当. 展开更多
关键词 质子交换膜电解池 阴极催化层 孔隙网络模型 传输特性 电子传导
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基于Al_(2)O_(3)纳米流体冷却液的质子交换膜燃料电池传热及输出性能评估
6
作者 雷基林 李杰 +4 位作者 刘懿 戈志晖 杞卓玲 邓晰文 王东方 《内燃机工程》 北大核心 2025年第4期149-158,共10页
构建了一个耦合冷却通道的三维多相非等温质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)电化学模型,探讨Al_(2)O_(3)纳米流体对PEMFC传热及输出性能的影响。通过膜平均温度、膜平均水含量、膜均匀温度指数(index of un... 构建了一个耦合冷却通道的三维多相非等温质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)电化学模型,探讨Al_(2)O_(3)纳米流体对PEMFC传热及输出性能的影响。通过膜平均温度、膜平均水含量、膜均匀温度指数(index of uniform temperature,IUT)来评估传热性能,并通过净功率密度及功耗比评估在PEMFC冷却系统中使用Al_(2)O_(3)纳米流体的可行性。结果表明,Al_(2)O_(3)纳米流体表现出比乙二醇冷却液更优异的冷却性能,其在冷却液低流速范围内的冷却性能更加突出,使膜平均温度显著降低,从而提高膜平均水含量。然而,该纳米流体冷却液在提升冷却效果的同时可能会引起膜温度分布均匀性的下降。具体而言,当冷却液流速为0.1 m/s,输出电压为0.6 V时,膜平均温度由359.66 K降至353.10 K,膜平均水含量从9.91增至11.53,而IUT由1.71上升至1.96。Al_(2)O_(3)纳米流体能够在冷却液低流速范围内显著提高PEMFC的输出性能,使净功率密度上升约3.3%。此外,在相同冷却条件下,Al_(2)O_(3)纳米流体能够在改善PEMFC冷却性能的同时降低由冷却液引起的寄生功率。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 Al_(2)O_(3)纳米流体 传热 功耗比
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阳极多口进气方式对空冷型质子交换膜燃料电池水热特性的影响
7
作者 雷基林 戈志晖 +3 位作者 李杰 刘懿 刘锋 夏臻玮 《内燃机工程》 北大核心 2025年第1期100-108,共9页
为研究空冷型质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)内部水热特性,改善电池内部水、热等物理性质的均匀性,提出了阳极多口进气的方式。基于单通蛇形流道进气方式,提出了四种进气方式,并建立了三维模型进行计算... 为研究空冷型质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)内部水热特性,改善电池内部水、热等物理性质的均匀性,提出了阳极多口进气的方式。基于单通蛇形流道进气方式,提出了四种进气方式,并建立了三维模型进行计算分析。结果表明:在0.635 V电压下,使用多口进气的方式均能够提升质子交换膜燃料电池的输出性能,改善膜电流密度、膜水含量、阳极催化层氢气含量、阳极催化层水含量的均匀性,但同侧进气的方式温度均匀性较差。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 阳极进气优化 数值模拟 水热特性
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动态工况下基于NRBO-BITCN的质子交换膜燃料电池老化预测
8
作者 谢长君 杨寒晨 李浩 《重庆理工大学学报(自然科学)》 北大核心 2025年第6期221-230,共10页
准确预测质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)未来老化状态有助于实际策略的部署。在动态工况下,传统的数据驱动方法未考虑PEMFC外部参数对性能老化的影响,为此提出一种动态工况下的PEMFC老化预测方法,以应... 准确预测质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)未来老化状态有助于实际策略的部署。在动态工况下,传统的数据驱动方法未考虑PEMFC外部参数对性能老化的影响,为此提出一种动态工况下的PEMFC老化预测方法,以应对动态工况下的老化预测问题。使用随机森林算法分析外部参数对电压的重要性,确定模型的输入参数;建立双向时间卷积神经网络模型(bi-directional tempol convolutional neural network,BiTCN),使用牛顿拉夫逊算法(Newton-Raphson-based optimizer,NRBO)进行参数优化,构建了NRBO-BiTCN算法。在PEMFC动态工况的全电流和单一电流数据集上的实验表明,考虑外部参数可有效捕获燃料电池老化信息,提升预测精度。对于全电流数据集,在训练集比例为50%时,考虑外部参数的NRBO-BiTCN比未考虑的算法平均绝对误差减少79.14%。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 老化预测 外部参数 双向机制 牛顿拉夫逊优化算法
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质子交换膜燃料电池水热管理技术现状与展望
9
作者 武小花 杨钢 +2 位作者 周鸿旭 陈洲 范占锋 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第17期7031-7039,共9页
水热管理技术的运用有利于解决质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)散热需求大、低温冷启动慢、寿命短等问题。对大功率燃料电池进行动态响应试验,利用皮尔森相关性系数验证了温湿度与有效输出电压的相关性,... 水热管理技术的运用有利于解决质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)散热需求大、低温冷启动慢、寿命短等问题。对大功率燃料电池进行动态响应试验,利用皮尔森相关性系数验证了温湿度与有效输出电压的相关性,并通过文献分析水管理和热管理对燃料电池的影响,总结了现阶段的水热管理方法与建模方式。水管理方法主要有反应气体加湿、内部结构设计和排水控制,但无法实现较为准确的水含量在线检测,闭环控制较为困难。而热管理技术较为成熟,利用传统热机的水冷却方法并结合所制定的温度控制策略对热管理子系统中的水泵和风扇进行控制,使电堆温度和进出口冷却水温差稳定在合理的范围。温度与电堆内部水分布具有强耦合性,往往单一的温度变量、水变量研究并不能真实反映温度和水含量对燃料电池性能的影响。未来使用高效的水热耦合技术,综合考虑温度与水含量对PEMFC的影响才是提高其性能、有效改善附件寄生功率、延长使用寿命的关键。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 水管理 热管理 耦合管理
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质子交换膜燃料电池增湿策略研究进展
10
作者 叶立 叶志鹏 +2 位作者 贺浩然 张绮冬 王译增 《化学工程》 北大核心 2025年第2期13-19,70,共8页
PEMFC(质子交换膜燃料电池)具有效率高、功率密度大、清洁无污染、工作寿命长、工作温度低且运行稳定等优点。水管理作为质子交换膜的关键技术之一,受到广泛关注。PEMFC内质子交换膜在使用过程中需要维持合适的湿度,以拥有较高的质子电... PEMFC(质子交换膜燃料电池)具有效率高、功率密度大、清洁无污染、工作寿命长、工作温度低且运行稳定等优点。水管理作为质子交换膜的关键技术之一,受到广泛关注。PEMFC内质子交换膜在使用过程中需要维持合适的湿度,以拥有较高的质子电导率和耐久性能,因此需要适当的增湿策略保证质子交换膜处于合适的水合状态。燃料电池的增湿策略大致可分为内增湿和外增湿。内增湿又可分为化学加湿和物理加湿,外增湿可分为鼓泡增湿、直接注水增湿、焓轮增湿和膜增湿等。分别介绍了每一种增湿方法的工作原理和性能,以此分析不同方法的特点,并基于此,识别每种方法在特定应用领域中的适用性和效能,为与具体应用场景的结合提供参考。总体而言,PEMFC的增湿技术之后发展可能主要聚焦于低温自增湿膜电极的构建,自增湿和外增湿技术的协同应用,以及对增湿过程的控制优化。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 水管理 内增湿 外增湿
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基于改进回声状态网络的质子交换膜燃料电池剩余寿命预测
11
作者 袁铁江 李荣盛 +1 位作者 康建东 闫华光 《中国电力》 北大核心 2025年第5期102-109,共8页
针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的剩余有效寿命预测技术(RUL)在中长期预测效果不佳的问题,提出了一种基于改进灰狼优化算法(IGWO)和回声状态网络(ESN)的剩余寿命预测方法。首先选取电堆电压作为健康指标,使用卷积平滑滤波法对PEMFC数据... 针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的剩余有效寿命预测技术(RUL)在中长期预测效果不佳的问题,提出了一种基于改进灰狼优化算法(IGWO)和回声状态网络(ESN)的剩余寿命预测方法。首先选取电堆电压作为健康指标,使用卷积平滑滤波法对PEMFC数据集进行数据平滑和归一化处理,有效减少异常值对后续模型训练的干扰。然后利用IGWO的局部和全局寻优能力对ESN的储备池参数进行优化,构建出IGWO-ESN网络模型,并利用处理后数据集进行PEMFC剩余寿命预测模型的训练,最后与传统的ESN进行对比验证。结果表明,改进后的ESN模型预测均方根误差和平均绝对百分比误差分别为0.0342和0.9315%,预测精度相较于普通ESN模型明显提升,中长期RUL的预测准确度也更高。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 回声状态网络 灰狼优化算法 剩余寿命预测
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质子交换膜燃料电池催化层功能梯度设计进展 被引量：1
12
作者 李艺彤 郭航 +1 位作者 陈浩 叶芳 《北京工业大学学报》 北大核心 2025年第5期637-650,共14页
催化层作为电化学反应的场所,是质子交换膜燃料电池的重要组成部件。为了促进质子交换膜燃料电池的性能提升和成本降低以及考虑到催化层中反应物质的不均匀分布,催化层组成成分被考虑设计成梯度分布以提高各成分和反应物的利用率,从而... 催化层作为电化学反应的场所,是质子交换膜燃料电池的重要组成部件。为了促进质子交换膜燃料电池的性能提升和成本降低以及考虑到催化层中反应物质的不均匀分布,催化层组成成分被考虑设计成梯度分布以提高各成分和反应物的利用率,从而在不增加成本的前提下提高燃料电池性能。功能梯度催化层是质子交换膜燃料电池性能提升的重要手段之一。因此,该文从不同组成成分、不同方向详细综述了催化层的功能梯度分布设计。催化层成分的梯度分布研究主要以催化剂载量和离聚物载量为对象,从燃料电池3个不同方向,以不同的非均匀分布形式进行分布设计。功能梯度催化层可以有效地改善反应物、温度和电流密度分布的均匀性以及提高燃料电池性能,是发展高性能质子交换膜燃料电池的重要手段之一。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 催化剂 离聚物 梯度分布 传热传质 催化层
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多层感知机优化质子交换膜电解槽阳极侧多孔传输层性能
13
作者 陶大臣 谢鑫 +5 位作者 杨扬 李俊 叶丁丁 陈蓉 朱恂 廖强 《燃料化学学报(中英文)》 北大核心 2025年第2期291-300,共10页
质子交换膜电解水(PEMWE)技术因其波动适应性强的特点,在绿色氢气生产中具有广阔的应用前景。PEMWE性能受多种因素影响,其中,多孔传输层(PTL)对于气-水传输性能尤为关键,优化PTL结构对提升PEMWE整体性能具有重要意义。本研究首先构建了... 质子交换膜电解水(PEMWE)技术因其波动适应性强的特点,在绿色氢气生产中具有广阔的应用前景。PEMWE性能受多种因素影响,其中,多孔传输层(PTL)对于气-水传输性能尤为关键,优化PTL结构对提升PEMWE整体性能具有重要意义。本研究首先构建了一个稳态下的三维PEM单电解槽模型,获得了不同多孔传输层结构参数下PEM电解槽极化曲线,探讨了多孔传输层的孔隙率、厚度和导电率三个典型特征参数对质子交换膜电解槽性能的影响。其次,通过引入多层感知机机器学习模型,提出了相应的性能优化策略。研究表明,孔隙率对多孔传输层的性能起主导作用,其次是厚度,而导电率的影响相对较小。针对孔隙率和厚度,适度增加孔隙率并降低厚度可有效提升电解槽性能。经过多层感知机模型筛选,当PTL孔隙率为0.52、厚度为0.2 mm、导电率为4×10^(6) S/m时,性能最佳,在2 A/cm^(2)的电流密度下PEM电解槽的工作电压为1.85 V。 展开更多
关键词 质子交换膜电解槽 多孔传输层 机器学习 参数优化
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质子交换膜燃料电池不同流场结构的分布特性研究
14
作者 詹昕 宋微 +1 位作者 丁峰 邵志刚 《电源技术》 北大核心 2025年第1期192-201,共10页
流场结构是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能以及特性参数分布的重要因素。了解PEMFC内各种特性的分布是提高电池性能、稳定性和耐用性的先决条件。因此,有必要充分了解燃料电池中的性能参数分布特性。利用数值模拟与仿真研究了平行... 流场结构是影响质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能以及特性参数分布的重要因素。了解PEMFC内各种特性的分布是提高电池性能、稳定性和耐用性的先决条件。因此,有必要充分了解燃料电池中的性能参数分布特性。利用数值模拟与仿真研究了平行、单蛇形和三蛇形流场的电池性能差异,对比了三种流场对燃料电池分布特性的影响,并使用一种新颖的标准——阻抗分布,来评估流场结构对性能均匀性的影响。结果表明,采用蛇形流场的燃料电池极化曲线性能优于平行流场。通过分析电流密度、阻抗和温度分布,得出平行流场均匀性更好的结论,三蛇形流场则兼顾了单蛇形和平行流场的优点。通过引入均匀度参数(标准差)来描述特性参数分布的均匀性,平行、单蛇形和多蛇形流场的阻抗分布均匀度参数分别为0.235、0.305和0.245Ω·cm^(2)。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 流场结构 数值模拟 均匀性研究
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基于simulink的三种质子交换膜电解槽模型对比
15
作者 王尊博 徐超群 +4 位作者 何勇 翁武斌 李明阳 王晓丁 王智化 《哈尔滨工程大学学报》 北大核心 2025年第3期486-494,共9页
针对电解槽仿真研究过程中建模技术尚不完善,多种电解槽建模方法之间并没有清晰的划分和优缺点对比的问题,本文在simulink环境下建立了3种不同的质子交换膜电解槽模型,对质子交换膜电解槽工作时的电化学现象进行解释,并对3种模型的适用... 针对电解槽仿真研究过程中建模技术尚不完善,多种电解槽建模方法之间并没有清晰的划分和优缺点对比的问题,本文在simulink环境下建立了3种不同的质子交换膜电解槽模型,对质子交换膜电解槽工作时的电化学现象进行解释,并对3种模型的适用范围与优缺点进行对比。本文所采用的模型一基于经验公式建模,模型二对电解槽内部不同的过电势进行区分,模型三对电解槽工作过程进行详细分析。实验结果表明:模型一和模型二更适用于作为柔性负载与电力系统进行耦合,模型三对电解槽运行时的工作原理进行详细表达,更适用于对电解槽本身系数进行优化。本文的研究为质子交换膜电解槽仿真过程中电化学机理及后续的仿真研究提供重要参考。 展开更多
关键词 电解槽 制氢 质子交换膜 开路电压 欧姆过电势 活化过电势 守恒原理 电极反应动力学
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质子交换膜燃料电池氢气渗透研究进展及抑制措施概述
16
作者 陆继轩 郑伟波 +3 位作者 李翔 王倩倩 李冰 明平文 《汽车工程》 北大核心 2025年第7期1238-1257,共20页
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为一种新型汽车动力源,展现出广泛的应用潜力。然而,氢气渗透问题在长期运行中日益显现,已成为制约其大规模商业化应用的重要技术挑战。氢气渗透不仅降低了PEMFC的输出... 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为一种新型汽车动力源,展现出广泛的应用潜力。然而,氢气渗透问题在长期运行中日益显现,已成为制约其大规模商业化应用的重要技术挑战。氢气渗透不仅降低了PEMFC的输出电压,还可能对电池的耐久性和安全性产生负面影响。为应对这一问题,本文基于现有研究成果,对PEMFC氢气渗透的研究进展进行了系统概述。首先,本文阐述了氢气渗透的基本原理及其潜在危害;接着,分析了膜衰减前后氢气渗透的传递机制,并回顾了最新的渗透模型研究进展;最后,结合氢气渗透的原理,总结了目前有效的抑制措施,并展望了未来的研究发展趋势。本文旨在为提升PEMFC性能、延长其使用寿命以及增强系统安全性提供理论支持。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 氢渗透 长期运行 膜衰减 抑制措施
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质子交换膜燃料电池双极板流动结构仿生设计探究
17
作者 石自航 杨亚晶 +1 位作者 魏衍举 张晨杨 《西安交通大学学报》 北大核心 2025年第4期70-80,共11页
针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部燃料分布不均匀以及水管理能力不足导致的性能受限问题,基于海棠叶的叶脉结构,设计了一种新型仿生流场,采用数值方法深入研究了其性能。首先,通过观察海棠叶脉的自然流动形态,设计仿生流场;然后,通过... 针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部燃料分布不均匀以及水管理能力不足导致的性能受限问题,基于海棠叶的叶脉结构,设计了一种新型仿生流场,采用数值方法深入研究了其性能。首先,通过观察海棠叶脉的自然流动形态,设计仿生流场;然后,通过数值模拟对比分析仿生流场、传统蛇形流场和平行流场的流场性能;最后,探究极限电流密度、峰值功率密度及内部氧气和电流密度的分布特性。研究结果表明:与传统的蛇形流场和平行流场相比,仿生流场的压降更低,催化层氧气浓度分布更均匀,供气质量更高;相较于平行流场和蛇形流场,仿生流场的电池极限电流密度分别提升了35.42%、6.81%,峰值功率密度分别增加了29.71%、5.22%,且除水能力较平行流场有所提升。该研究为PEMFC流场设计的优化提供了新思路,对提升燃料电池的整体性能和效率具有重要的实际应用价值。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 仿生流场 海棠叶脉 双极板
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操作参数对质子交换膜燃料电池阴极侧壁缩型流道性能的影响
18
作者 史叶诚 赵富强 +1 位作者 耿振钟 王宏伟 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第21期8914-8925,共12页
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)阴极流道作为氧化剂还原的场所,流道构型和操作参数相互作用是提升电池性能的关键之一。针对PEMFC侧壁缩型流道对操作参数的设计需求,建立了一个采用阴极侧壁缩型流道的... 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)阴极流道作为氧化剂还原的场所,流道构型和操作参数相互作用是提升电池性能的关键之一。针对PEMFC侧壁缩型流道对操作参数的设计需求,建立了一个采用阴极侧壁缩型流道的三维质子交换膜电池模型,研究了在不同温度、压强和阴极化学计量比下,电化学性能、膜表面温度分布及含水量分布的变化规律。研究表明:操作参数不变时,脊背中线、流道中线的电流密度曲线呈脉冲式波动,膜表面温度曲线、膜表面水含量曲线呈现规律性波动,且脊背中线处的电流密度、温度、水含量明显高于流道中线处;操作参数变化下,当温度从50℃升高到80℃时,电流密度从0.822 A/cm^(2)增大至0.856 A/cm^(2),提高了4.1%;当压强从0.1 MPa增大至0.3 MPa时,电流密度从0.860 A/cm^(2)增大至1.500 A/cm^(2),提高了74.4%;当阴极化学计量比从10增大至90时,电流密度从1.502 A/cm^(2)提升至1.568 A/cm^(2),提高了4.4%。进一步建立了基于组合赋权法和改进雷达图法的PEMFC输出性能评价方法,得到操作参数在压强0.25~0.3 MPa、温度70~80℃、化学计量比70~90范围下,阴极的侧壁缩型流道表现出优异输出性能。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 操作参数 侧壁缩型流道 电化学性能 综合评价
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质子交换膜燃料电池Fe-N-C催化剂活性位点润湿性、黏附性及三相界面传质研究
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作者 黄东 耿莉敏 吕强 《西安交通大学学报》 北大核心 2025年第10期148-159,共12页
为考察质子交换膜燃料电池非贵金属催化剂Fe-N-C构成的阴极催化层三相界面稳定性和传质性能,以沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8)为前驱体,引入氧化石墨烯,在800~1200℃温度范围内采用热合成方法制备了一系列Fe-N-C催化剂,通过电化学测试... 为考察质子交换膜燃料电池非贵金属催化剂Fe-N-C构成的阴极催化层三相界面稳定性和传质性能,以沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8)为前驱体,引入氧化石墨烯,在800~1200℃温度范围内采用热合成方法制备了一系列Fe-N-C催化剂,通过电化学测试和形貌表征,筛选出氧还原反应催化活性最佳的组别,并分析了其代表性活性位点Fe_(3)N。通过分子动力学模拟,探究了包含Fe_(3)N的阴极催化层三相界面内部传质过程以及决定该结构稳定性的活性位点表面润湿能力及其与离聚物间黏附性。研究结果表明:1000℃热解获得的Fe-N-C-1000催化剂具有最佳催化活性,其极限电流密度为5.18 mA/cm^(2),半波电位为0.86 mV,反应以4电子途径进行;Fe-N-C-1000继承了ZIF-8的十二面体结构,且存在大量孔径约3.9 nm的介孔,其代表性活性位点为Fe_(3)N;在298、358 K下,Fe_(3)N活性位点表面呈现良好亲水性,无论平整表面或纳米颗粒结构,Fe_(3)N和Nafion离聚物间的黏附性均强于Pt;在包含Fe_(3)N的三相界面中,H_(3)O+和O_(2)的扩散系数显著高于Pt/C催化剂三相界面;Fe_(3)N纳米颗粒对H_(3)O+和O_(2)也具有更强吸附能力。该研究结果可为Fe-N-C催化剂活性位点筛选和分子尺度性能评估提供参考。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 Fe-N-C催化剂 氧还原反应 分子动力学模拟 三相界面 黏附性 扩散系数
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专利视角下质子交换膜燃料电池有序化膜电极研究进展
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作者 孙明明 《化工新型材料》 北大核心 2025年第9期37-41,52,共6页
膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件,低铂载量、长寿命的膜电极对于加速其商业化进程具有重要的意义,经过两代技术演化,最新一代有序化膜电极是当前研究热点。以专利技术为视角,基于Himmpat数据库检索结果,分析了有序化膜电极专利申... 膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件,低铂载量、长寿命的膜电极对于加速其商业化进程具有重要的意义,经过两代技术演化,最新一代有序化膜电极是当前研究热点。以专利技术为视角,基于Himmpat数据库检索结果,分析了有序化膜电极专利申请态势,对比了专利主要来源国和重要申请人情况,重点从催化剂层有序结构、交换膜层或扩散层为基础的全有序结构等技术方向分析了专利技术研究进展。研究发现,从产业化角度,交换膜或扩散层为基础的全有序化结构更有优势,建议国内重点申请人优化专利布局完整性,并在专利转化运用过程中加强对具备一体化生产能力膜电极组件企业的关注。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 膜电极 有序化 催化剂 专利
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