燃料電池性能的影響因素研究綜述

由于環境問題和能源問題日益嚴重，傳統汽車行業面臨著重大轉型。新能源汽車的研發和投入迫在眉睫。新能源汽車主要包括混合動力汽車、燃料電池汽車和純電動汽車三大類。其中燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車。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重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動汽車比較,其動力方面的不同在于FCV用的電力來自車載燃料電池裝置,電動汽車所用的電力來自由電網充電的蓄電池。因此，對燃料電池的研究非常關鍵。本文從幾個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在燃料電池工作溫度下的結構特性研究；

（3）使用限氫電流研究燃料電池運輸限制；（4）環境空氣條件對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

研究電極涂層不規則性對聚合物電解質燃料電池（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重要。因為在燃料電池電極中出現的不規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%催化劑還原不規則性以及干濕條件下的總電池性能。

工作原理及結論

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則性對燃料電池性能的影響。通過分析差分格式的數據可知，在潮濕和干燥的操作環境下，由SFC檢測到的不規則性涂層低至0.25cm2。這些不規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，發現總電池性能僅受0.5和1cm2的不規則性影響。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層中制造的不規則性涂層的影響取決于許多因素，包括MEA材料和結構、所用流場以及堆疊的運行條件或工作周期。

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

2　釤摻雜二氧化鈰的電解質在燃料電池工作溫度下的結構特性研究[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行高溫結構研究（673-1073K），目的是研究摻雜二氧化鈰電解質的Sm在燃料電池工作溫度下的晶體學特征。測量x在0.1至0.4之間的樣品的離子電導率，以便于將主要結構特征與輸運性質相關聯。

工作原理及結論

本文所討論的關鍵問題結論可概括如下：

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

（2）熱膨脹系數似乎主要由RE3+尺寸

決定，而不是由氧空位的存在引起的收縮效應決定。

（3）通過μ-拉曼光譜揭示了C結構的RE2O3納米區域的存在，并由總電導率與Sm量的趨勢所證實。這種存在在F場中表現最好。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，并且轉移到Sm含量更高的組合體。

（4）Sm-氧空位聚集體對F結構的排序效應發生在混合區域內的每個溫度下（x≥0.3），正如F結構典型的拉曼信號的強度和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/混合區邊界的x值稍微向低值移動。此外，熱膨脹系數曲線表現出接近于x=0.3的斜率變化，這種結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輸限制[3]

研究目的

降低聚合物電解質燃料電池（PEFCs）中的質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重要。同時，減少使用昂貴的貴金屬催化劑也能夠促使成本的降低，但這會導致催化劑層中出現局部運輸損失。本文使用氫泵極限電流技術來研究PEFC催化劑層和各種氣體擴散層以及微孔層之間的氣相傳輸損失。實驗結果表明，氣體擴散層中的有效擴散系數是液體飽和度的重要函數。此外，還顯示了催化劑層如何對運輸阻力的整體測量起作用。其中實驗數據表明催化劑層中的大部分運輸阻力不能歸因于氣相擴散過程。該技術有望用于解決卷積PEFCs中的運輸損失。

工作原理及結論

限氫電流法用于定量各種燃料電池的運輸限制。其中DM和CL的運輸阻力可以通過使用不同數量的DM實驗的線性插值來分離。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。結果表明，在干燥條件下，由于孔隙率降低和曲折度增加，添加PTFE會降低DM的有效擴散率。然而，在部分飽和的條件下，添加PTFE會使歸一化的有效擴散系數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。本文還發現從氫氣變為氘過程中存在有一個非擴散阻力，其是總傳輸阻力的15%至45%，并且隨著鉑負載量的減少而增加。這種運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。

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，該技術還可以探索CL的微觀結構和運輸路徑。該技術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

本文著重討論了進氣溫度和相對濕度對最大功率為175W的質子交換膜燃料電池（FC）堆性能的影響。為了控制進氣溫度，本文設計了相應的冷卻系統并與燃料電池堆組合進行實驗。

工作原理及結論

實驗結果證明，進氣溫度越低，燃料電池性能越好。并且發現這種依賴性在15-25℃范圍內是非線性的。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氣口處進行實驗。實驗結果表明，相對濕度的增加正面影響FC的效率。通過對FC堆內反應物流動的計算流體動力學（CFD）進行仿真，以便于分析其熱狀態、速度分布和氫離子通過陰極側的膜遷移。在120W功率負載下，陰極側的溫度已經超過了工作條件限制，CFD仿真結果顯示實驗裝置需要額外的冷卻系統。

為了揭示入口空氣溫度和相對濕度對FC性能的影響，本文設計并構造了一個實驗設施，其具有傳統的PEM燃料電池和原始金屬氫化物存儲系統。使用原始設備進行的實驗調查表明，在實驗參數范圍內（進氣溫度15℃-25℃，進氣相對濕度25%-100%），FC系統的效率隨著相對濕度的增加和進氣溫度的降低而增加。但是，變化的效果相對較小：溫度范圍從18℃升到24℃時，FC效率僅提高0.6%。而相比之下，相對濕度具有更強的影響，因為其變化范圍從25%升至100%，FC效率提高至3.4%。由于系統內部余熱積聚，溫度可能升高到運行極限以上并導致不可逆轉的退化過程。因此，可以通過溫度、濕度和進氣速度控制來減少FC內部的熱量。CFD結果有助于理解系統內部發生的情況，并有助于該實驗平臺今后擴大其幾何尺寸。

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

據有關研究稱，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定操作700小時以上。使用電化學產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化為氫氣。而沒有催化層的標準燃料電池則會在用乙醇操作的最初5小時內由于碳沉積形成而塌陷。納米結構的二氧化鈰基催化劑在Ni基陽極載體上形成連續的多孔層（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，催化層促進乙醇的整體蒸汽重整反應，導致氫氣和乙醇燃料中出現電流輸出。具有相對大的活性面積（8cm2）的單體的穩定性證實了用于固體氧化物燃料電池中生物燃料的內部重整的催化層的可行性。實驗結果為直接乙醇固體氧化物燃料電池的實際應用提供了重要的一步。

主要結論

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乙醇蒸汽重整，并且能夠使用在陽極/電解質界面處氫化物的電化學轉化產生的水。催化層促進乙醇的整體蒸汽重整反應，導致氫氣和乙醇燃料中的電流輸出。目前的電流產量與直接乙醇SOFC的最高報告值相似。而用于耐久性測試的苛刻條件，即不添加水的實驗表明，所研究的燃料電池構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。實驗結果還證實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行磺化。本文使用元素分析計算聚合物的磺化度，并對制備的磺化聚合物的吸水性、質子傳導性和熱穩定性進行確定，以來表征其在燃料電池應用的潛力。

工作原理及結論

合成的磺化PBAEK（sPBAEK）的顯著優點是相對于商業PEEK，其在各種溶劑中具有更好的溶解性，因為sPBAEK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膜可以提高質子傳導率。這是由于隨著磺化度增加，親水性區域增加導致質子傳導率增加。這種性質使得制備的膜成為質子交換膜燃料電池的潛在候選物。

在這項研究中，以磺酸官能化PBAEK為基礎的陽離子交換膜制備了不同的磺化條件，包括不同數量的磺化試劑和反應溫度，以確定膜的應用所帶來的優化性能。實驗操作如下：

首先，通過直接縮合反應制備雙酚-A-醚酮基聚合物。然后，在不同反應溫度下與氯磺酸反應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行性能分析。實驗結果發現，在反應溫度下，與13.5eq氯磺酸膜反應的sPBAEK表現出比其他膜樣品更高的磺化度。FT-IR和TGA分析用于確認膜中磺酸的存在。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生而表現出較低的機械性能，但磺化的PBAEK膜在80℃時能夠表現出高的電導率。

[1]PHILLIPS A,ULSH M,PORTER J,et al.Utilizing a Segmented Fuel Cell to Study the Effects of Electrode Coating Irregularities on PEM Fuel Cell Initial Performance[J].Fuel Cells,2017,17(3):288-298.

[2]ARTINI C,CARNASCIALI M M,VIVIANI M,et al.Structural properties of Sm-doped ceria electrolytes at the fuel cell operating temperatures[J].Solid State Ionics,2018,315:85-91.

[3]SPINGLER F B,PHILLIPS A,SCHULER T,et al.Investigating fuel-cell transport limitations using hydrogen limiting current[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(19):13960-13969.

[4]ALEKSANDRA SVESHNIKOVA K A A K,USTINOV A.Effect of ambient air conditions on PEM fuel cell performance[J].Journal of Renewable and Sustainable Energy,2017,9(4):43502.

[5]STEIL M C,NOBREGA S D,GEORGES S,et al.Durable direct ethanol anode-supported solid oxide fuel cell[J].Applied Energy,2017,199:180-186.

[6]KIM D J,LEE B,NAM S Y.Characterization of highly sulfonated PEEK based membrane for the fuel cell application[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(37):23768-23775.