燃料電池性能的影響因素研究綜述

由于環(huán)境問題和能源問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)汽車行業(yè)面臨著重大轉(zhuǎn)型。新能源汽車的研發(fā)和投入迫在眉睫。新能源汽車主要包括混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車三大類。其中燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動(dòng)汽車比較,其動(dòng)力方面的不同在于FCV用的電力來自車載燃料電池裝置,電動(dòng)汽車所用的電力來自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此，對燃料電池的研究非常關(guān)鍵。本文從幾個(gè)方面介紹了目前幾種方法用于研究燃料電池性能，包括：

（1）利用分段燃料電池研究電極涂層不規(guī)則性對PEM燃料電池初始性能的影響；

（2）釤摻雜二氧化鈰的電解質(zhì)在燃料電池工作溫度下的結(jié)構(gòu)特性研究；

（3）使用限氫電流研究燃料電池運(yùn)輸限制；（4）環(huán)境空氣條件對PEM燃料電池性能的影響；（5）直接乙醇陽極固體氧化物燃料電池的性能研究；

（6）用于燃料電池應(yīng)用的高磺化PEEK基膜的表征研究。

1　利用分段燃料電池研究電極涂層不規(guī)則性對PEM燃料電池初始性能的影響[1]

研究目的

研究電極涂層不規(guī)則性對聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEMFC）生命周期性能的影響，對于確定其組件的制造公差來說至關(guān)重要。因?yàn)樵谌剂想姵仉姌O中出現(xiàn)的不規(guī)則涂層具有可接受的工藝變化或潛在的有害缺陷。本文采用分段燃料電池（SFC）來研究電池陰極在100%催化劑還原不規(guī)則性以及干濕條件下的總電池性能。

工作原理及結(jié)論

本文使用V-I曲線和局部視角利用空間電流密度分布，研究了電極涂層不規(guī)則性對燃料電池性能的影響。通過分析差分格式的數(shù)據(jù)可知，在潮濕和干燥的操作環(huán)境下，由SFC檢測到的不規(guī)則性涂層低至0.25cm2。這些不規(guī)則性對空間性能分布的影響隨著電池工作電流而增加。然而在一系列操作條件下觀察其對局部性能影響，發(fā)現(xiàn)總電池性能僅受0.5和1cm2的不規(guī)則性影響。僅在高電流密度的干燥操作條件下才可以觀察到輕微的不利影響。一般而言，電極或任何MEA層中制造的不規(guī)則性涂層的影響取決于許多因素，包括MEA材料和結(jié)構(gòu)、所用流場以及堆疊的運(yùn)行條件或工作周期。

在未來的研究工作中，將討論該項(xiàng)研究中更具體的影響方面，例如涂層的不同類型、規(guī)模以及不規(guī)則的位置，還有MEA不同層次的不規(guī)則性以及其他流場和運(yùn)行條件的影響。而且電池的初始性能只是其一個(gè)違規(guī)行為臨界性的不確定性指標(biāo)。未來研究中將要重點(diǎn)探討對未來性能退化和失效影響的其他確定性指標(biāo)。

2　釤摻雜二氧化鈰的電解質(zhì)在燃料電池工作溫度下的結(jié)構(gòu)特性研究[2]

研究目的

本文通過同步加速器X射線衍射和ri-Rarnan光譜對屬于Ce1-xSmxO2-x/2體系的幾種組合物進(jìn)行高溫結(jié)構(gòu)研究（673-1073K），目的是研究摻雜二氧化鈰電解質(zhì)的Sm在燃料電池工作溫度下的晶體學(xué)特征。測量x在0.1至0.4之間的樣品的離子電導(dǎo)率，以便于將主要結(jié)構(gòu)特征與輸運(yùn)性質(zhì)相關(guān)聯(lián)。

工作原理及結(jié)論

本文所討論的關(guān)鍵問題結(jié)論可概括如下：

（1）晶胞參數(shù)與Sm量的變化趨勢在室溫下呈現(xiàn)出鐘形曲線形狀。然而，隨著溫度的升高，組合物僅出現(xiàn)較低含量Sm的輕微轉(zhuǎn)變。

（2）熱膨脹系數(shù)似乎主要由RE3+尺寸

決定，而不是由氧空位的存在引起的收縮效應(yīng)決定。

（3）通過μ-拉曼光譜揭示了C結(jié)構(gòu)的RE2O3納米區(qū)域的存在，并由總電導(dǎo)率與Sm量的趨勢所證實(shí)。這種存在在F場中表現(xiàn)最好。隨著工作溫度的升高，聚集體中騰出空位所需的能量被提供給燃料電池系統(tǒng)，并且轉(zhuǎn)移到Sm含量更高的組合體。

（4）Sm-氧空位聚集體對F結(jié)構(gòu)的排序效應(yīng)發(fā)生在混合區(qū)域內(nèi)的每個(gè)溫度下（x≥0.3），正如F結(jié)構(gòu)典型的拉曼信號的強(qiáng)度和FWHM趨勢所證明的那樣。

（5）隨著工作溫度的升高，觀察到螢石基/混合區(qū)邊界的x值稍微向低值移動(dòng)。此外，熱膨脹系數(shù)曲線表現(xiàn)出接近于x=0.3的斜率變化，這種結(jié)果可以表示兩種原子排列之間存在交叉成分。

3　使用限氫電流研究燃料電池運(yùn)輸限制[3]

研究目的

降低聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFCs）中的質(zhì)量傳輸損失對于提高功率密度和降低整體堆疊成本來說至關(guān)重要。同時(shí)，減少使用昂貴的貴金屬催化劑也能夠促使成本的降低，但這會(huì)導(dǎo)致催化劑層中出現(xiàn)局部運(yùn)輸損失。本文使用氫泵極限電流技術(shù)來研究PEFC催化劑層和各種氣體擴(kuò)散層以及微孔層之間的氣相傳輸損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣體擴(kuò)散層中的有效擴(kuò)散系數(shù)是液體飽和度的重要函數(shù)。此外，還顯示了催化劑層如何對運(yùn)輸阻力的整體測量起作用。其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明催化劑層中的大部分運(yùn)輸阻力不能歸因于氣相擴(kuò)散過程。該技術(shù)有望用于解決卷積PEFCs中的運(yùn)輸損失。

工作原理及結(jié)論

限氫電流法用于定量各種燃料電池的運(yùn)輸限制。其中DM和CL的運(yùn)輸阻力可以通過使用不同數(shù)量的DM實(shí)驗(yàn)的線性插值來分離。本文討論了在干燥和部分飽和條件下各種商業(yè)DM（例如SGL Sigracet 24系列和MRC 040）的傳輸性能與PTFE的添加是否有關(guān)。結(jié)果表明，在干燥條件下，由于孔隙率降低和曲折度增加，添加PTFE會(huì)降低DM的有效擴(kuò)散率。然而，在部分飽和的條件下，添加PTFE會(huì)使歸一化的有效擴(kuò)散系數(shù)增加到中等飽和度水平。此外，DM的限氫電流主要受CL電阻的影響。本文還發(fā)現(xiàn)從氫氣變?yōu)殡^程中存在有一個(gè)非擴(kuò)散阻力，其是總傳輸阻力的15%至45%，并且隨著鉑負(fù)載量的減少而增加。這種運(yùn)輸阻力可能與覆蓋鉑部位的離聚物界面處的吸附/解吸過程有關(guān)。

總體而言，氫極限電流法成為研究燃料電池傳輸性能的有力工具。與氧極限電流方法相比，可以避免由于水生成而產(chǎn)生的問題。然而，與在鉑電極上使用澆注離聚物膜的非原位方法相比，該技術(shù)還可以探索CL的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸路徑。該技術(shù)是研究各種燃料電池部件的氣體傳輸阻力的一種可行方法。

4　環(huán)境空氣條件對PEM燃料電池性能的影響[4]

研究目的

本文著重討論了進(jìn)氣溫度和相對濕度對最大功率為175W的質(zhì)子交換膜燃料電池（FC）堆性能的影響。為了控制進(jìn)氣溫度，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)并與燃料電池堆組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

工作原理及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，進(jìn)氣溫度越低，燃料電池性能越好。并且發(fā)現(xiàn)這種依賴性在15-25℃范圍內(nèi)是非線性的。為了考慮空氣濕度并分析其對FC效率的影響，本文將空氣加濕器安裝在進(jìn)氣口處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對濕度的增加正面影響FC的效率。通過對FC堆內(nèi)反應(yīng)物流動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）進(jìn)行仿真，以便于分析其熱狀態(tài)、速度分布和氫離子通過陰極側(cè)的膜遷移。在120W功率負(fù)載下，陰極側(cè)的溫度已經(jīng)超過了工作條件限制，CFD仿真結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)裝置需要額外的冷卻系統(tǒng)。

為了揭示入口空氣溫度和相對濕度對FC性能的影響，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，其具有傳統(tǒng)的PEM燃料電池和原始金屬氫化物存儲(chǔ)系統(tǒng)。使用原始設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)調(diào)查表明，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)（進(jìn)氣溫度15℃-25℃，進(jìn)氣相對濕度25%-100%），F(xiàn)C系統(tǒng)的效率隨著相對濕度的增加和進(jìn)氣溫度的降低而增加。但是，變化的效果相對較?。簻囟确秶鷱?8℃升到24℃時(shí)，F(xiàn)C效率僅提高0.6%。而相比之下，相對濕度具有更強(qiáng)的影響，因?yàn)槠渥兓秶鷱?5%升至100%，F(xiàn)C效率提高至3.4%。由于系統(tǒng)內(nèi)部余熱積聚，溫度可能升高到運(yùn)行極限以上并導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的退化過程。因此，可以通過溫度、濕度和進(jìn)氣速度控制來減少FC內(nèi)部的熱量。CFD結(jié)果有助于理解系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的情況，并有助于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)今后擴(kuò)大其幾何尺寸。

5　直接乙醇陽極固體氧化物燃料電池的性能研究[5]

研究目的

據(jù)有關(guān)研究稱，陽極支撐的固體氧化物燃料電池在高電流輸出條件下可以保持穩(wěn)定操作700小時(shí)以上。使用電化學(xué)產(chǎn)生的蒸汽有效地將沉積在陽極上的高活性氧化鈰基催化層的主燃料轉(zhuǎn)化為氫氣。而沒有催化層的標(biāo)準(zhǔn)燃料電池則會(huì)在用乙醇操作的最初5小時(shí)內(nèi)由于碳沉積形成而塌陷。納米結(jié)構(gòu)的二氧化鈰基催化劑在Ni基陽極載體上形成連續(xù)的多孔層（類似于25μm厚），其不僅對燃料電池操作沒有明顯不利影響，還可以防止碳沉積形成。此外，催化層促進(jìn)乙醇的整體蒸汽重整反應(yīng)，導(dǎo)致氫氣和乙醇燃料中出現(xiàn)電流輸出。具有相對大的活性面積（8cm2）的單體的穩(wěn)定性證實(shí)了用于固體氧化物燃料電池中生物燃料的內(nèi)部重整的催化層的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為直接乙醇固體氧化物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的一步。

主要結(jié)論

總而言之，具有納米級的Ir-CGO顆粒的高活性催化劑可有效地促進(jìn)乙醇蒸汽重整，并且能夠使用在陽極/電解質(zhì)界面處氫化物的電化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的水。催化層促進(jìn)乙醇的整體蒸汽重整反應(yīng)，導(dǎo)致氫氣和乙醇燃料中的電流輸出。目前的電流產(chǎn)量與直接乙醇SOFC的最高報(bào)告值相似。而用于耐久性測試的苛刻條件，即不添加水的實(shí)驗(yàn)表明，所研究的燃料電池構(gòu)造是使用可靠且有效的可再生生物燃料如生物乙醇的有潛力的裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還證實(shí)了雙層陽極在高性能陽極支持的電池中是可行的。

6　用于燃料電池應(yīng)用的高磺化PEEK基膜的表征研究[6]

研究目的

在本文研究中，通過聚雙酚A和4,4-二氟二苯甲酮之間的親核芳香取代合成了聚合物（雙酚-A-醚酮）（PBAEK），合成的聚合物使用氯磺酸在合適的溫度和磺化試劑含量的操作條件下進(jìn)行磺化。本文使用元素分析計(jì)算聚合物的磺化度，并對制備的磺化聚合物的吸水性、質(zhì)子傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行確定，以來表征其在燃料電池應(yīng)用的潛力。

工作原理及結(jié)論

合成的磺化PBAEK（sPBAEK）的顯著優(yōu)點(diǎn)是相對于商業(yè)PEEK，其在各種溶劑中具有更好的溶解性，因?yàn)閟PBAEK主鏈含有的雙酚A，膜的吸水率隨著磺化度的增加而增加。此外，與100%相對濕度條件下的PBAEK膜相比，sPBAEK膜可以提高質(zhì)子傳導(dǎo)率。這是由于隨著磺化度增加，親水性區(qū)域增加導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率增加。這種性質(zhì)使得制備的膜成為質(zhì)子交換膜燃料電池的潛在候選物。

在這項(xiàng)研究中，以磺酸官能化PBAEK為基礎(chǔ)的陽離子交換膜制備了不同的磺化條件，包括不同數(shù)量的磺化試劑和反應(yīng)溫度，以確定膜的應(yīng)用所帶來的優(yōu)化性能。實(shí)驗(yàn)操作如下：

首先，通過直接縮合反應(yīng)制備雙酚-A-醚酮基聚合物。然后，在不同反應(yīng)溫度下與氯磺酸反應(yīng)來制備高度磺化的聚合物。其中PBAEK膜的磺化度隨著氯磺酸含量和作用溫度的增加而增加。最后，對所制備的聚合物進(jìn)行性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)溫度下，與13.5eq氯磺酸膜反應(yīng)的sPBAEK表現(xiàn)出比其他膜樣品更高的磺化度。FT-IR和TGA分析用于確認(rèn)膜中磺酸的存在。由于在膜中引入了親水部分，與未修飾的PBAEK膜相比，sPBAEK膜在高溫下具有溶脹行為。此外，sPBAEK膜的吸水率和離子交換容量隨著膜磺化度的增加而增加。盡管sPBAEK膜由于磺酸基引起的空隙產(chǎn)生而表現(xiàn)出較低的機(jī)械性能，但磺化的PBAEK膜在80℃時(shí)能夠表現(xiàn)出高的電導(dǎo)率。

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