质子交换膜燃料电池气体扩散层憎水性衰减机理研究
质子交换膜燃料电池
1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行 PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共 同努力下，FEMFC取得了突破性进展。
采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟 磺酸膜，使电池性能提高数倍。
④构成双极板的材料必须在阳极运行条件下(一定的电 极电位、氧化剂、还原剂等)抗腐蚀，以达到电池组的 寿命要求，一般为几千小时至几万小时。
⑤因为PEMFC电池组效率一般在50％左右，双权板材 料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出。
为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于 加工(如加工流场)，最优的材料是适于用批量生产工 艺加工的材料。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
由图可知，构成PEMFC的关键材料与部件 为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换 膜和双极板。
PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应:
阳极反应： H2 2H 2e
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
这是目前世界各国研发的重点之一。
其难点：在PEMFC工作条件下的抗腐蚀问题（氧 化，还原，一定的电位和弱酸性电解质下的稳定 性）；与扩散层（碳纸）的接触电阻大。
抗腐蚀的方法之一是用改变合金组成与制备工艺的 方法。
4. 复合双极板：
采用廉价的多孔石墨板制备流场。由于这层多孔石 墨流场板在电池工作时充满水，既有利于膜的保湿， 也阻止反应气与作为分隔板的薄金属板 （0.1~0.2mm)接触，因而减缓了它的腐蚀。
质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述
质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述马睿;党翰斌;张钰奇;霍喆;李玉忍;高非
【期刊名称】《中国电机工程学报》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。
该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。
【总页数】21页(P407-426)
【作者】马睿;党翰斌;张钰奇;霍喆;李玉忍;高非
【作者单位】西北工业大学自动化学院;贝尔福–蒙贝利亚技术大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
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《质子交换膜燃料电池反应生成水的传输研究》范文
《质子交换膜燃料电池反应生成水的传输研究》篇一摘要：本文以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为研究对象，着重探讨其反应生成水的传输过程。
通过实验研究和理论分析，深入研究了水在燃料电池中的生成、传输及影响。
本文旨在揭示水传输的机理，为优化PEMFC性能提供理论依据。
一、引言质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种清洁、高效的能源转换装置，在新能源汽车、分布式能源等领域具有广泛应用。
在PEMFC的运行过程中，电化学反应会产生水，水的传输对电池性能具有重要影响。
因此，研究水在PEMFC中的传输过程，对于提高电池性能、延长使用寿命具有重要意义。
二、质子交换膜燃料电池基本原理质子交换膜燃料电池通过氢气和氧气的电化学反应产生电能和水。
在阳极，氢气发生氧化反应生成质子和电子；在阴极，氧气与质子和电子发生还原反应生成水。
这一过程是可逆的，且产生的水在电池内部通过一定的方式传输。
三、水在PEMFC中的生成与传输1. 水生成过程：在PEMFC中，氢气和氧气反应生成水。
由于反应物中的氢和氧的摩尔比为2:1，因此理论上每消耗2摩尔氢气会生成1摩尔水。
然而，由于实际反应过程中的其他因素，如电极催化剂的活性、电池工作温度等，实际生成的水量可能会略有不同。
2. 水传输过程：生成的水在PEMFC中主要通过两种方式传输：一是通过扩散作用从阴极向阳极传输；二是通过毛细作用在膜内传输。
这两种传输方式对电池性能具有重要影响。
四、实验研究为了研究水在PEMFC中的传输过程，我们设计了一系列实验。
通过改变电池的工作条件（如电流密度、温度等），观察水的生成和传输情况。
实验结果表明，水在PEMFC中的传输受到多种因素的影响，包括电池的工作条件、膜的材质和结构等。
五、理论分析基于实验结果，我们进行了理论分析。
首先，建立了水在PEMFC中传输的数学模型，通过模拟计算揭示了水传输的机理。
其次，分析了影响水传输的主要因素，如膜的孔隙率、表面张力等。
最后，结合电池的性能参数，探讨了优化水传输对提高PEMFC性能的潜力。
燃料电池的材料科学研究
燃料电池的材料科学研究在当今追求可持续能源的时代，燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，正逐渐引起人们的广泛关注。
燃料电池能够将化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、环境友好等显著优点。
然而，要实现燃料电池的广泛应用，关键在于材料科学的研究与突破。
燃料电池的工作原理基于氧化还原反应。
在燃料电池中，燃料（如氢气、甲醇等）在阳极被氧化，失去电子，而氧化剂（通常为氧气）在阴极被还原，得到电子，从而形成电流。
这一过程的顺利进行依赖于多种关键材料的性能。
首先，电极材料是燃料电池的核心组成部分。
阳极材料需要具有良好的催化活性，能够促进燃料的氧化反应。
目前，常用的阳极催化剂主要是铂基材料，但其价格昂贵且资源稀缺。
因此，研究人员一直在努力寻找可替代的非贵金属催化剂，如过渡金属氮化物、碳基材料等，以降低成本并提高性能。
阴极材料则面临着氧气还原反应动力学缓慢的问题。
铂仍然是最有效的阴极催化剂，但同样存在成本高的限制。
为了改善阴极性能，一方面是对铂基催化剂进行结构优化和合金化处理，以提高其活性和稳定性；另一方面，探索非铂基的催化剂，如过渡金属大环化合物、杂原子掺杂的碳材料等，也是当前研究的热点。
除了电极材料，电解质材料也至关重要。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）中常用的质子交换膜，如全氟磺酸膜，具有良好的质子传导性能，但在高温和低湿度条件下性能会下降。
为了克服这一问题，研究人员正在开发新型的高温质子交换膜和固体氧化物电解质等。
高温质子交换膜能够在较高温度下工作，提高电池的效率和耐久性；固体氧化物燃料电池（SOFC）中的固体氧化物电解质具有高的离子传导率，但需要在高温下运行，对材料的稳定性和密封技术提出了更高的要求。
在双极板材料方面，其需要具备良好的导电性、耐腐蚀性和机械强度。
金属双极板具有良好的导电性和机械性能，但容易腐蚀；石墨双极板耐腐蚀性能好，但加工成本高。
因此，开发新型的复合材料双极板，如金属/石墨复合双极板、聚合物/碳复合双极板等，成为了研究的方向之一。
质子交换膜燃料电池研究
质子交换膜燃料电池研究章晖【摘要】Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) has an extensive application respective in EV, portable electronic device, stationary power plant and special power with the advantages of high energy conversion efficiency and quick startup at ambient temperature. The technology and mechanism of PEMFC was researched, and its structure defects were analyzed. It is concluded that to research novel catalysts with high activity and excellent stability is very important for the future fuel cell.%质子交换膜燃料电池(PEMFC)因无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，可室温快速启动，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景。
研究了质子交换膜燃料电池实用化的技术及机理，对其结构缺陷进行了分析，认为开拓新的催化剂体系，合成出活性更高、稳定性更好的催化剂对于燃料电池来说意义重大。
【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】2页(P763-764)【关键词】质子交换膜燃料电池;燃料电池车;催化剂【作者】章晖【作者单位】海装天津局，天津 300384【正文语种】中文【中图分类】TM911质子交换膜燃料电池因无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，可室温快速启动，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 S1 期质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展陈匡胤1，李蕊兰1，童杨2，沈建华1（1 华东理工大学材料学院，上海 200237；2 中华人民共和国科学技术部高技术研究发展中心，北京100044）摘要：气体扩散层（GDL ）在质子交换膜燃料电池（PEMFC ）中起到支撑催化层、传输反应气体和排出反应过程中产生的水的作用，设计和优化GDL 的结构对提升燃料电池的性能有重要作用。
本文首先介绍了氢燃料电池应用前景，简述了PEMFC 的结构和工作原理，指出了目前GDL 的气液传输能力不足的问题，分析了孔结构、碳材料、微孔层微观结构、润湿性和耐久性五个因素对GDL 性能的影响，并归纳了当前的研究进展，同时还涵盖了与GDL 内传质过程相关的建模方法。
最后总结了影响GDL 性能的各种因素，并对质子交换膜燃料电池内的GDL 发展进行了展望，指出用新型金属泡沫材料代替传统碳材料构建气体扩散层-双极板集成结构从而缩短传质路径并降低传质阻力，提出利用新兴的3D 打印技术去构建高精度具有复杂结构的气体扩散层。
本综述对未来优化GDL 结构、提高燃料电池性能具有一定的指导意义。
关键词：燃料电池；气液两相流；优化设计；传质；数值模拟中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0246-14Structure design of gas diffusion layer in proton exchange membranefuel cellCHEN Kuangyin 1，LI Ruilan 1，TONG Yang 2，SHEN Jianhua 1(1 School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2High Technology Research and Development Center ，Ministry of Science and Technology of the People s Republic ofChina ，Beijing 100044，China)Abstract: Gas diffusion layer (GDL) plays an important role in supporting the catalytic layer andproviding the transmission access of gas and water in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Designing and optimizing the structure of GDL significantly influence the performance of fuel cell. In this paper, the application prospect of hydrogen fuel cell and the structure and working principle of PEMFC are briefly introduced. The problem of insufficient gas-liquid transmission capacity of GDL is pointed out and the effects of pore structure, carbon material, and microstructure of microporous layer, wettability and durability on the performance of GDL are analyzed. This review also summarizes the current research progress of GDL including the modeling studies. Finally, various factors affecting the performance of GDL are summarized, and the development of PEMFC is prospected. It is pointed out that novel metal foammaterials could replace the traditional carbon materials to construct the GDL-BP integrated structure with综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1102收稿日期：2023-07-03；修改稿日期：2023-09-26。
质子交换膜燃料电池的研究开发及应用新进展
收稿日期:2002201207 作者简介:王凤娥(1972—),女,内蒙古自治区人,工程师,硕士,主要研究方向为信息调研。
Biography :WAN G Feng 2e (1972—),female ,engineer ,master.质子交换膜燃料电池的研究开发及应用新进展王凤娥(北京有色金属研究总院,北京100088)摘要:介绍了国内外研究质子交换膜燃料电池的整体现状及水平,从电催化剂、膜电极及其制备工艺、质子交换膜以及双极板等几个方面,综述了质子交换膜燃料电池在材料及部件方面取得的成绩及研究现状,概述了质子交换膜燃料电池目前在电动车、船舶、移动电源等方面的应用情况。
提出了我国质子交换膜燃料电池的发展方向。
关键词:质子交换膜燃料电池;电池材料;部件;研究开发中图分类号:TM 911.4 文献标识码:A 文章编号:10022087X (2002)0520383205State 2of 2arts of re search ,development and application ofproton exchange membrane fuel cellWAN G Feng 2e(General Research Instit ute f or Non 2f errous Metals ,Beiji ng 100088,Chi na )Abstract :Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC )is the clean energy with high efficiency.It has wide ap 2plication prospect in stationary power supply ,portable power supply ,special power source for military ,and es 2pecially in electric vehicle (EV )as driving power.The comprehensive state 2of 2arts of research on PEMFC at home and abroad are introduced according to the R &D about it in recent years.The advances and status of re 2search on materials and assemblies for PEMFC are also reviewed from the point 2of 2view of electrocatalyst ,mem 2brane electrode and its fabricating technology ,proton exchange membrane ,current collector ,etc.Moreover ,the application status of PEMFC in EV ,ship and portable power supply is summarized ,and the developing trend of PEMFC in China is presented.K ey w ords :proton exchange membrane fuel cell (PEMFC );material of fuel cell ;assembly ;R &D 燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。
质子交换膜燃料电池的一维气体扩散模型研究
２ ． １ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 电化学 模型
Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的输 出电 压 Ｖ。 。 ｌ 。 受Ｅ 。 Ⅲ （ 热 力 学 电 动 势）、 ｒ ｌ （ 活化 过 电压 ）、 ｒ ｌ （ 欧姆 过 电压 ） 和ｒ ｌ 。 。 （ 浓 差过 电压 ）的影 响 ，如下 式所 示口 ：
法体现电池内部结构对系统性能的影响。本文建立了Ｐ Ｅ Ｍ Ｆ Ｃ 沿膜厚方向的一维结构模型，通 过分析在 电池 阴、阳极 的气体扩散 规律 ，研究气源 压力 、温 度对 电池 输出 电压的影响 。通过 与不同条件下的实验结果以及集总参数模型进行比较，本文的仿真结果更加符合实验结果， 适用范围更广，可为车用燃料电池的优化和控制提供可靠依据。 关键 词 ：质子交换膜燃料 电池 （ Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ ） ；气体扩散 层 ； 传质模型 ； 建 模 ；仿真 中图分类号 ：Ｔ Ｍ９ １ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ —０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ （ 上） 一 ０ ０ ９ ５ —０ ４
组 成 ， 以氢 气 和 空 气 （ 或 纯 氧 ）作 为 燃 料 和 氧 化
剂 ，氢 气在 阳极 催 化层 中分 解 为氢 离子 （ 质 子 ），
ｍｅ ｍｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ， Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ）具 有 能 量转 化 效率 高 、环 境 友 好 、寿 命 长 等 特 点 ，在 未 来 的 以氢 作
其 中 ，Ｐ Ｅ ＭＦ Ｃ的 电 化 学 电 动 势 、欧 姆 过 电
压 、浓 差 过 电压 分别 为 ： Ｅ Ｎ ｅ ｒ ｎ ｓ ｒ １ ． ２ ２ － ０ ・ ８ ５ Ｘ １ ０ － ３ （ Ｔ － ２ ９ ８ ． １ ５ ）
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ １ ． Ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ３ （ 上） ． ２ ９
质子交换膜燃料电池电堆水传输机理综述
174AUTO TIMEAUTO PARTS | 汽车零部件质子交换膜燃料电池电堆水传输机理综述夏增刚上海捷氢科技有限公司 上海市 201800摘 要： 质子交换膜燃料电池是一种直接将储存在H2的化学能经与O2反应转化成电能、热能和水的电化学装置。
它不受卡诺循环的限制，转化效率高，可以长时间连续运行，具有运行温度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点，是未来汽车的理想动力装置之一。
合适的湿度条件是燃料电池健康高效运行的必要条件，本文针对水在燃料电池内的传输问题进行综述归纳，为燃料电池内的水传输问题建立研究基础。
关键词：质子交换膜燃料电池 水传输1 研究背景与意义质子交换膜燃料电池技术因具有，启动快，效率高，温度低，功率密度高，运行平稳，使用纯氢时不会造成环境污染等优点。
随着环境污染与全球气候变暖问题的日益严重，其作为一种汽车动力系统解决方案而日益受到关注[1-2]。
对于车载应用，质子交换膜燃料电池系统的耐久性与可靠性的提升是最具有挑战性的问题。
燃料电池电堆的正常工作的需要适中的湿度范围，所以良好水管理是提升质子交换膜燃料电池可靠性与耐久性的重要手段[3-4]。
随着燃料电池技术的发展，对于实用的车载质子交换膜燃料的电池系统，MEA 普遍趋势是越来越薄，对水的传输性能更好，容易发生水淹故障。
燃料电池在高电流密度下，产生更多的水且工作压力更大，气态水更容易液化，堵塞气体扩散层（GDL）与流道，阻碍反应气体传质，造成反应欠气，电堆性能下降同时损害电堆耐久性[5]。
所以燃料电池水状态传输机理是燃料电池系统研究的重要问题。
2 燃料电池内部水传输燃料电池内部的水传输机制如图1所示，主要有TOD （Thermal-osmotic drag），EOD （Electro-osmotic drag），BD（Back Diffusion）和HP（Hydraulic Permeation）[6]。
质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展
质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展
郭泽胤;万成安;郑莎;李静波;唐程雄;郭帅;李元锋;陈永刚
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。
气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。
因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。
从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。
【总页数】6页(P433-438)
【作者】郭泽胤;万成安;郑莎;李静波;唐程雄;郭帅;李元锋;陈永刚
【作者单位】北京理工大学材料科学与工程学院先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室;中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司;北京空间飞行器总体设计部
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
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质子交换膜燃料电池气体扩散层憎水性衰减机理研究
于书淳，李晓锦*，李进，邵志刚，衣宝廉
（中国科学院大连化学物理研究所，大连，辽宁，116023,Email:xjli@dicp.ac）作为质子交换膜燃料电池的重要组件之一，典型的双层气体扩散层由基底层和微孔层构成。
其中，基底层通常由憎水处理过的碳纸构成，微孔层通常由碳粉和憎水剂构成。
具有良好化学稳定性的聚四氟乙烯（PTFE）是气体扩散层中最常用的憎水剂。
在燃料电池中，气体扩散层必须具有合适的憎水性能以实现良好的导气和排水功能[1]。
然而，电池在长时间运行后，尤其是在较为苛刻的工作环境下（频繁的启动/停车、动态工况等），气体扩散层的憎水性会逐步变得下降[2]。
陈等人采用恒电位氧化法对气体扩散层进行耐久性研究，发现氧化后微孔层表面的接触角显著下降[3]。
Lee等人在研究气体扩散层耐久性的实验中也观察到同样的现象[4]。
但是，文献中并没有对憎水性下降的原因进行深入的研究。
鉴于气体扩散层憎水性的下降会引起电极水淹并最终降低电池性能，有必要对憎水性下降的原因进行深入的研究，但是目前有关这方面的报道很少[5]。
因此，我们的主要工作是在模拟的电池环境下考察气体扩散层憎水性下降的原因。
实验分为恒电位氧化及酸浸泡两部分。
恒电位氧化实验是以N2饱和的0.5M H2SO4为电解液，采用相对于饱和甘汞电极为1.25V的恒电位对气体扩散层进行氧化处理，酸浸泡实验是将气体扩散层浸泡在70℃、air饱和的1M H2SO4溶液中1200h.通过扫描电镜、红外光谱、X射线光电子显微镜、热重仪等手段对氧化前后的扩散层的特性进行分析。
恒电位氧化实验结果发现，无论是对基底层还是整平层，氧化之后表面的形貌发生了改变；此外，碳的氧化不但导致亲水性氧化物的生成而且导致了碳材料及PTFE的流失。
这也正是恒电位氧化条件下气体扩散层憎水性下降的原因。
在酸浸泡实验条件下观察到同样的现象。
图1XPS全谱（a）氧化前整平层（b）氧化后整平层（c）氧化前基底层（d）氧化后基底层
Fig.1XPS survey spectra of(a)fresh MPL(b)oxidized MPL(c)fresh GDB(d)oxidized GDB
图2XPS C1s拟合峰（a）酸浸泡后的基底层（b）酸浸泡后的整平层
Fig.2XPS C1s peaks of(a)the immersed GDB(b)the immersed MPL 本研究为国家自然科学基金（21076210，20936008）资助项目。
参考文献：
[1]衣宝廉，燃料电池-原理·技术·应用[M].北京:化学工业出版社，2003:181
[2]Park S,Lee J-W,Popov BN,International Journal of Hydrogen Energy2012,37:5850
[3]Chen G,Zhang H,Ma H,Zhong H,International Journal of Hydrogen Energy2009,34:8185
[4]Lee C,Mérida W,Journal of Power Sources,2007,164:141
[5]Medici EF,Allen JS,Journal of the Electrochemical Society2010,157:B1505
Study on hydrophobicity degradation of gas diffusion layer in proton exchange
membrane fuel cells
Shuchun Yu,Xiaojin Li*,Jin Li,Zhigang Shao,Baolian Yi
(Fuel Cell System and Engineering Laboratory,Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,457Zhongshan Road,Dalian116023,Email:xjli@)。