燃料电池性能的影响因素研究综述

由于环境问题和能源问题日益严重，传统汽车行业面临着重大转型。新能源汽车的研发和投入迫在眉睫。新能源汽车主要包括混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车三大类。其中燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较,其动力方面的不同在于FCV用的电力来自车载燃料电池装置,电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此，对燃料电池的研究非常关键。本文从几个方面介绍了目前几种方法用于研究燃料电池性能，包括：

（1）利用分段燃料电池研究电极涂层不规则性对PEM燃料电池初始性能的影响；

（2）钐掺杂二氧化铈的电解质在燃料电池工作温度下的结构特性研究；

（3）使用限氢电流研究燃料电池运输限制；（4）环境空气条件对PEM燃料电池性能的影响；（5）直接乙醇阳极固体氧化物燃料电池的性能研究；

（6）用于燃料电池应用的高磺化PEEK基膜的表征研究。

1　利用分段燃料电池研究电极涂层不规则性对PEM燃料电池初始性能的影响[1]

研究目的

研究电极涂层不规则性对聚合物电解质燃料电池（PEMFC）生命周期性能的影响，对于确定其组件的制造公差来说至关重要。因为在燃料电池电极中出现的不规则涂层具有可接受的工艺变化或潜在的有害缺陷。本文采用分段燃料电池（SFC）来研究电池阴极在100%催化剂还原不规则性以及干湿条件下的总电池性能。

工作原理及结论

本文使用V-I曲线和局部视角利用空间电流密度分布，研究了电极涂层不规则性对燃料电池性能的影响。通过分析差分格式的数据可知，在潮湿和干燥的操作环境下，由SFC检测到的不规则性涂层低至0.25cm2。这些不规则性对空间性能分布的影响随着电池工作电流而增加。然而在一系列操作条件下观察其对局部性能影响，发现总电池性能仅受0.5和1cm2的不规则性影响。仅在高电流密度的干燥操作条件下才可以观察到轻微的不利影响。一般而言，电极或任何MEA层中制造的不规则性涂层的影响取决于许多因素，包括MEA材料和结构、所用流场以及堆叠的运行条件或工作周期。

在未来的研究工作中，将讨论该项研究中更具体的影响方面，例如涂层的不同类型、规模以及不规则的位置，还有MEA不同层次的不规则性以及其他流场和运行条件的影响。而且电池的初始性能只是其一个违规行为临界性的不确定性指标。未来研究中将要重点探讨对未来性能退化和失效影响的其他确定性指标。

2　钐掺杂二氧化铈的电解质在燃料电池工作温度下的结构特性研究[2]

研究目的

本文通过同步加速器X射线衍射和ri-Rarnan光谱对属于Ce1-xSmxO2-x/2体系的几种组合物进行高温结构研究（673-1073K），目的是研究掺杂二氧化铈电解质的Sm在燃料电池工作温度下的晶体学特征。测量x在0.1至0.4之间的样品的离子电导率，以便于将主要结构特征与输运性质相关联。

工作原理及结论

本文所讨论的关键问题结论可概括如下：

（1）晶胞参数与Sm量的变化趋势在室温下呈现出钟形曲线形状。然而，随着温度的升高，组合物仅出现较低含量Sm的轻微转变。

（2）热膨胀系数似乎主要由RE3+尺寸

决定，而不是由氧空位的存在引起的收缩效应决定。

（3）通过μ-拉曼光谱揭示了C结构的RE2O3纳米区域的存在，并由总电导率与Sm量的趋势所证实。这种存在在F场中表现最好。随着工作温度的升高，聚集体中腾出空位所需的能量被提供给燃料电池系统，并且转移到Sm含量更高的组合体。

（4）Sm-氧空位聚集体对F结构的排序效应发生在混合区域内的每个温度下（x≥0.3），正如F结构典型的拉曼信号的强度和FWHM趋势所证明的那样。

（5）随着工作温度的升高，观察到萤石基/混合区边界的x值稍微向低值移动。此外，热膨胀系数曲线表现出接近于x=0.3的斜率变化，这种结果可以表示两种原子排列之间存在交叉成分。

3　使用限氢电流研究燃料电池运输限制[3]

研究目的

降低聚合物电解质燃料电池（PEFCs）中的质量传输损失对于提高功率密度和降低整体堆叠成本来说至关重要。同时，减少使用昂贵的贵金属催化剂也能够促使成本的降低，但这会导致催化剂层中出现局部运输损失。本文使用氢泵极限电流技术来研究PEFC催化剂层和各种气体扩散层以及微孔层之间的气相传输损失。实验结果表明，气体扩散层中的有效扩散系数是液体饱和度的重要函数。此外，还显示了催化剂层如何对运输阻力的整体测量起作用。其中实验数据表明催化剂层中的大部分运输阻力不能归因于气相扩散过程。该技术有望用于解决卷积PEFCs中的运输损失。

工作原理及结论

限氢电流法用于定量各种燃料电池的运输限制。其中DM和CL的运输阻力可以通过使用不同数量的DM实验的线性插值来分离。本文讨论了在干燥和部分饱和条件下各种商业DM（例如SGL Sigracet 24系列和MRC 040）的传输性能与PTFE的添加是否有关。结果表明，在干燥条件下，由于孔隙率降低和曲折度增加，添加PTFE会降低DM的有效扩散率。然而，在部分饱和的条件下，添加PTFE会使归一化的有效扩散系数增加到中等饱和度水平。此外，DM的限氢电流主要受CL电阻的影响。本文还发现从氢气变为氘过程中存在有一个非扩散阻力，其是总传输阻力的15%至45%，并且随着铂负载量的减少而增加。这种运输阻力可能与覆盖铂部位的离聚物界面处的吸附/解吸过程有关。

总体而言，氢极限电流法成为研究燃料电池传输性能的有力工具。与氧极限电流方法相比，可以避免由于水生成而产生的问题。然而，与在铂电极上使用浇注离聚物膜的非原位方法相比，该技术还可以探索CL的微观结构和运输路径。该技术是研究各种燃料电池部件的气体传输阻力的一种可行方法。

4　环境空气条件对PEM燃料电池性能的影响[4]

研究目的

本文着重讨论了进气温度和相对湿度对最大功率为175W的质子交换膜燃料电池（FC）堆性能的影响。为了控制进气温度，本文设计了相应的冷却系统并与燃料电池堆组合进行实验。

工作原理及结论

实验结果证明，进气温度越低，燃料电池性能越好。并且发现这种依赖性在15-25℃范围内是非线性的。为了考虑空气湿度并分析其对FC效率的影响，本文将空气加湿器安装在进气口处进行实验。实验结果表明，相对湿度的增加正面影响FC的效率。通过对FC堆内反应物流动的计算流体动力学（CFD）进行仿真，以便于分析其热状态、速度分布和氢离子通过阴极侧的膜迁移。在120W功率负载下，阴极侧的温度已经超过了工作条件限制，CFD仿真结果显示实验装置需要额外的冷却系统。

为了揭示入口空气温度和相对湿度对FC性能的影响，本文设计并构造了一个实验设施，其具有传统的PEM燃料电池和原始金属氢化物存储系统。使用原始设备进行的实验调查表明，在实验参数范围内（进气温度15℃-25℃，进气相对湿度25%-100%），FC系统的效率随着相对湿度的增加和进气温度的降低而增加。但是，变化的效果相对较小：温度范围从18℃升到24℃时，FC效率仅提高0.6%。而相比之下，相对湿度具有更强的影响，因为其变化范围从25%升至100%，FC效率提高至3.4%。由于系统内部余热积聚，温度可能升高到运行极限以上并导致不可逆转的退化过程。因此，可以通过温度、湿度和进气速度控制来减少FC内部的热量。CFD结果有助于理解系统内部发生的情况，并有助于该实验平台今后扩大其几何尺寸。

5　直接乙醇阳极固体氧化物燃料电池的性能研究[5]

研究目的

据有关研究称，阳极支撑的固体氧化物燃料电池在高电流输出条件下可以保持稳定操作700小时以上。使用电化学产生的蒸汽有效地将沉积在阳极上的高活性氧化铈基催化层的主燃料转化为氢气。而没有催化层的标准燃料电池则会在用乙醇操作的最初5小时内由于碳沉积形成而塌陷。纳米结构的二氧化铈基催化剂在Ni基阳极载体上形成连续的多孔层（类似于25μm厚），其不仅对燃料电池操作没有明显不利影响，还可以防止碳沉积形成。此外，催化层促进乙醇的整体蒸汽重整反应，导致氢气和乙醇燃料中出现电流输出。具有相对大的活性面积（8cm2）的单体的稳定性证实了用于固体氧化物燃料电池中生物燃料的内部重整的催化层的可行性。实验结果为直接乙醇固体氧化物燃料电池的实际应用提供了重要的一步。

主要结论

总而言之，具有纳米级的Ir-CGO颗粒的高活性催化剂可有效地促进乙醇蒸汽重整，并且能够使用在阳极/电解质界面处氢化物的电化学转化产生的水。催化层促进乙醇的整体蒸汽重整反应，导致氢气和乙醇燃料中的电流输出。目前的电流产量与直接乙醇SOFC的最高报告值相似。而用于耐久性测试的苛刻条件，即不添加水的实验表明，所研究的燃料电池构造是使用可靠且有效的可再生生物燃料如生物乙醇的有潜力的装置。实验结果还证实了双层阳极在高性能阳极支持的电池中是可行的。

6　用于燃料电池应用的高磺化PEEK基膜的表征研究[6]

研究目的

在本文研究中，通过聚双酚A和4,4-二氟二苯甲酮之间的亲核芳香取代合成了聚合物（双酚-A-醚酮）（PBAEK），合成的聚合物使用氯磺酸在合适的温度和磺化试剂含量的操作条件下进行磺化。本文使用元素分析计算聚合物的磺化度，并对制备的磺化聚合物的吸水性、质子传导性和热稳定性进行确定，以来表征其在燃料电池应用的潜力。

工作原理及结论

合成的磺化PBAEK（sPBAEK）的显著优点是相对于商业PEEK，其在各种溶剂中具有更好的溶解性，因为sPBAEK主链含有的双酚A，膜的吸水率随着磺化度的增加而增加。此外，与100%相对湿度条件下的PBAEK膜相比，sPBAEK膜可以提高质子传导率。这是由于随着磺化度增加，亲水性区域增加导致质子传导率增加。这种性质使得制备的膜成为质子交换膜燃料电池的潜在候选物。

在这项研究中，以磺酸官能化PBAEK为基础的阳离子交换膜制备了不同的磺化条件，包括不同数量的磺化试剂和反应温度，以确定膜的应用所带来的优化性能。实验操作如下：

首先，通过直接缩合反应制备双酚-A-醚酮基聚合物。然后，在不同反应温度下与氯磺酸反应来制备高度磺化的聚合物。其中PBAEK膜的磺化度随着氯磺酸含量和作用温度的增加而增加。最后，对所制备的聚合物进行性能分析。实验结果发现，在反应温度下，与13.5eq氯磺酸膜反应的sPBAEK表现出比其他膜样品更高的磺化度。FT-IR和TGA分析用于确认膜中磺酸的存在。由于在膜中引入了亲水部分，与未修饰的PBAEK膜相比，sPBAEK膜在高温下具有溶胀行为。此外，sPBAEK膜的吸水率和离子交换容量随着膜磺化度的增加而增加。尽管sPBAEK膜由于磺酸基引起的空隙产生而表现出较低的机械性能，但磺化的PBAEK膜在80℃时能够表现出高的电导率。

[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.