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储能科学与技术 2024年第5期13卷 1417-1426页

作者：张忠豪邱殿凯彭林法易培云上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海交通大学薄板结构数字化上海重点实验室上海200240

一体式再生燃料电池(PEM-URFC)将燃料电池和电解池融为一体,正向耗氢发电,反向电解产氢,是理想的储能装置。双功能氧电极(BOE)是承担氧还原反应与析氧反应的核心场所,通常由Pt和IrO_(2)两种材料混合制备而成。制备BOE的浆料难分散,导致... 详细信息

一体式再生燃料电池(PEM-URFC)将燃料电池和电解池融为一体,正向耗氢发电,反向电解产氢,是理想的储能装置。双功能氧电极(BOE)是承担氧还原反应与析氧反应的核心场所,通常由Pt和IrO_(2)两种材料混合制备而成。制备BOE的浆料难分散,导致催化剂利用率低、耐久性差。为了克服上述难题,本研究通过结合巯基-聚乙二醇-羧基稳定剂与间隔超声分散工艺的方法,提升了Pt-IrO_(2)浆料的分散效果和稳定性,并在此基础上制备了高分散的BOE。实验结果表明,本研究所制备的BOE富含纳米级孔,相较于通过持续超声分散工艺制备的BOE,催化剂利用率更高。极化性能测试结果表明,由本研究制备BOE所组装的PEM-URFC在0.5 A/cm^(2)工作条件下双向效率最高可达51.12%,比由持续超声分散工艺制备BOE所组装PEM-URFC的双向效率高9%;此外,在3000次加速实验后,由本研究制备BOE所组装的PEM-URFC双向效率仅衰减0.249%,低于由持续超声分散工艺制备BOE所组装PEM-URFC的1.675%。本工作所提出的结合稳定剂与间隔超声分散工艺提升分散效果的方法,对优化双功能电极的制备工艺具有一定的参考价值。

关键词：一体式再生燃料电池双功能氧电极稳定剂间隔超声分散工艺

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一体式再生燃料电池的研究进展与展望

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科学通报 2024年

作者：邱殿凯刘洋张忠豪郭孟迪杨淼彭林法上海交通大学机械与动力工程学院

一体式再生燃料电池(unitized regenerative fuel cell, URFC)在同一装置内集成了燃料电池(fuel cell, FC)发电和水电解(water electrolyzer, WE)制氢双功能,具有高比能量、高能量转换率、清洁高效等优势.随着氢能的发展,URFC在储供能... 详细信息

一体式再生燃料电池(unitized regenerative fuel cell, URFC)在同一装置内集成了燃料电池(fuel cell, FC)发电和水电解(water electrolyzer, WE)制氢双功能,具有高比能量、高能量转换率、清洁高效等优势.随着氢能的发展,URFC在储供能、长时动力系统、空间电源等领域极具应用价值.然而, URFC规模化应用存在诸多瓶颈,如双工作模式往返效率低、催化剂贵金属载量高、性能衰减快和运行不稳定,主要原因是关于URFC的研究尚在起步阶段,对于URFC反应机制和水热管理调控仍不明确.本文从URFC工作原理及分类出发,重点关注恒定气体构型URFC的部件及材料研究进展,阐述双功能模式对催化剂、多孔传输层和极板的材料、结构和寿命的影响机制,分析两种工作模式带来的水气传输规律及模式切换需求,旨在为提升URFC综合性能提供方法指导.本文系统地对URFC双功能部件的研究进展进行总结,并对未来高功率、高效率的URFC发展进行展望.

关键词：一体式再生燃料电池发电模式电解模式双功能双极板水气传输

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一体式再生燃料电池双效膜电极的研究

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电源技术 2010年第9期34卷 915-918页

作者：张新荣童莉孙毅王涛张伟刘向上海空间电源研究所上海200233

对一体式再生燃料电池双效膜电极进行研究,重点考查了膜电极制备工艺、双效电极催化剂和扩散层材料的影响,并用(SEM)对膜电极表面结构进行表征。结果表明:采用CCM工艺制备的双效复合膜电极表现出优异的燃料电池和水电解双功能特性以及... 详细信息

对一体式再生燃料电池双效膜电极进行研究,重点考查了膜电极制备工艺、双效电极催化剂和扩散层材料的影响,并用(SEM)对膜电极表面结构进行表征。结果表明:采用CCM工艺制备的双效复合膜电极表现出优异的燃料电池和水电解双功能特性以及循环稳定性,在燃料电池模式运行时,工作电压为0.708 V@1 000 mA/cm2;水电解模式运行时,工作电压为1.623 V@1 000 mA/cm2,URFC循环运行100 h,电池表现出良好的稳定性。膜电极表面结构和极化特性分析表明:CCM膜电极制备工艺实现了催化层和质子交换膜的一体化,改善了电极与质子交换膜界面稳定性,提高了膜电极的电性能和循环稳定性。IrO2扩散层提高了膜电极在高电解电位下的耐蚀性能,促进了膜电极在循环运行中的稳定性。

关键词：一体式再生燃料电池双效膜电极双效电催化剂耐腐蚀扩散层

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一体式再生燃料电池性能

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化工进展 2011年第4期30卷 734-738页

作者：张新荣王涛张伟刘向孙毅王东上海空间电源研究所上海200233

报道了反应条件对一体式再生燃料电池单体电池性能的影响,并对单体电池的极化特性和循环稳定性进行测试。结果表明:URFC单体电池表现出优异的电性能和良好的循环稳定性。双模式工作条件下,反应温度控制在60～70℃比较合适。在燃料电池... 详细信息

报道了反应条件对一体式再生燃料电池单体电池性能的影响,并对单体电池的极化特性和循环稳定性进行测试。结果表明:URFC单体电池表现出优异的电性能和良好的循环稳定性。双模式工作条件下,反应温度控制在60～70℃比较合适。在燃料电池模式下,提高氧气压力可以更显著的提高电池性能;在氢气相对湿度为100%条件下,氧气相对湿度对电池性能影响不大,当电流密度大于500 mA/cm2时,采用干态氧气和相对湿度为100%氧气时,电池性能趋于一致。

关键词：一体式再生燃料电池反应条件 FC/WE双模式工作性能

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一体式再生燃料电池模式切换过程传热与流动研究

一体式再生燃料电池模式切换过程传热与流动研究

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作者：刘佳兴北京工业大学

学位级别：博士

一体式再生燃料电池将燃料电池和电解池合二为一，在一个单体电池中实现两种模式。当电池运行电解池模式时，电解水生成氢气和氧气。当电池运行燃料电池模式时，将储存在氢气中的化学能通过电化学反应转化为电能，同时生成水。在实际应... 详细信息

一体式再生燃料电池将燃料电池和电解池合二为一，在一个单体电池中实现两种模式。当电池运行电解池模式时，电解水生成氢气和氧气。当电池运行燃料电池模式时，将储存在氢气中的化学能通过电化学反应转化为电能，同时生成水。在实际应用过程中，一体式再生燃料电池在燃料电池和电解池之间的模式切换不可避免。模式切换过程涉及物料、电、电化学反应的切换，进而导致电池内传热及流动发生复杂的变化。研究一体式再生燃料电池在模式切换过程的传热及流动有助于了解模式切换过程，为电池稳定工作提供参考。　　本文主要研究模式切换过程中一体式再生燃料电池内部的传热及流动变化，观测氧侧流道内两相流演变情况，测量得到氢侧扩散层表面局部温度及热流密度，并计算出局部换热系数。具体研究工作如下:　　完善了一体式再生燃料电池实验系统，改善后的系统使得电池可以在燃料电池模式、电解池模式、模式切换下运行，实现了电池电信号采集、物料切换以及两相流拍摄信号灯的同步。一体式再生燃料电池采用蛇形流场板、三合一膜电极。氧电极侧使用钛网作为扩散层，氢电极侧使用碳纸作为扩散层。电解和燃料电池模式性能重现性较好。　　探究了一体式再生燃料电池在电解和燃料电池模式下的两相流。电解池模式下，电池内气泡随电流密度增加而增多。对于小气泡来说，浮生力作用明显，沿流道向上运动。小气泡在蛇形流道拐角处积聚成大气泡，脱离后沿流道吸收小气泡形成气弹。燃料电池模式下，高温时流道内几乎观测不到液态水，低温时流道内在高电流密度下能观测到液态水。　　采用自制的薄膜传感器，测量得到一体式再生燃料电池在电解池和燃料电池模式下温度和热流密度，并根据得到的温度和热流密度计算出换热系数。电解池模式下，氢侧扩散层表面温度和流道内气体温度随着电流密度的增加先降低后升高。热流密度在低电流密度下相对稳定而略有下降，而后随电解电流密度的增大，流道上、中游热流密度慢慢增大，流道下游热流密度略微下降。局部换热系数相对稳定，只有下游处随时间缓慢下降。燃料电池模式下，氢侧扩散层表面温度和流道内气体温度随着电流密度的增加而升高。热流密度随电流密度的增加而增大，流道下游受到液态水的影响在高电流密度时热流密度出现下降。局部换热系数在低电流密度下有波动。　　对可视化设计的一体式再生燃料电池在模式切换过程中的两相流演化情况进行了研究。从电解池模式向燃料电池模式切换受到液态水的影响很大，直接切换过程由于受到水淹的影响，燃料电池模式难以启动。从电解池模式向燃料电池模式切换，小的燃料电池密度、适中的电解电流密度和温度更利于燃料电池的启动。从燃料电池模式可以直接切换到电解池模式，在电解运行初期存在供水不足而引起的浓差极化，适中的燃料电池电流密度、小的电解电流密度和中等的温度比较利于电池稳定运行。　　实验测量了一体式再生燃料电池在模式切换过程中扩散层表面的温度、热流密度和流道内氢气的温度，并由此得到了换热系数。模式切换过程中温度、热流密度变化明显，随周期性的模式切换而周期性的变化。温度随周期运行有上升趋势，热流密度随周期运行有下降趋势，说明电池产热大于散热。局部换热系数随模式切换变化幅度不大，沿流道流动方向局部换热系数增大。燃料电池电流密度对切换过程的传热有较大影响，随着电流密度的增大，切换至燃料电池模式后的温度和热流密度都呈上升趋势。加热工况导致一体式再生燃料电池内部的温度和热流密度的变化更加显著。　　建立了基于质子交换膜的燃料电池全电池准二维模型，得到电池电压、电流和过电势之间关系的分析解表达式。模型得到的结果与文献中实验数据吻合较好。分析解预测的电池阳极过电势占总过电势的比例最高可达28％，说明阳极过电势不能被忽略。模型结果表面浓差极化主要发生在阴极侧，说明阴极侧从流道往催化层的传质需要加强以获得更好的电池性能。催化层中的氢气和氧气浓度都随电流密度的增加而减小。

关键词：一体式再生燃料电池模式切换两相流传热性能传质性能

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一体式再生燃料电池的性能衰减研究

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电源技术 2021年第6期45卷 749-752,796页

作者：李平安邱殿凯沈水云彭林法上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

一体式再生燃料电池(URFC)的性能衰减问题是阻碍其应用的瓶颈,有必要探明其衰减机理。通过发电-电解模式循环实验对URFC进行了耐久性测试,通过电化学阻抗谱和微观物理表征方法分析了URFC性能衰减的原因。分析发现:电解模式下URFC性能衰... 详细信息

一体式再生燃料电池(URFC)的性能衰减问题是阻碍其应用的瓶颈,有必要探明其衰减机理。通过发电-电解模式循环实验对URFC进行了耐久性测试,通过电化学阻抗谱和微观物理表征方法分析了URFC性能衰减的原因。分析发现:电解模式下URFC性能衰减更加显著,电化学阻抗谱测试结果表明电池性能的衰减主要源于电荷转移阻抗的增大,占电池总阻抗增大的85%以上。膜电极元素观测结果表明:催化剂Ir和Pt元素的相对质量分数分别减少了24.46%和7.66%,进一步证实了Ir和Pt元素的溶解和团聚造成催化层活性降低是导致URFC性能衰减的主要原因。这为揭示URFC衰减机制提供了研究基础,并对减缓URFC性能衰减提供指导。

关键词：一体式再生燃料电池循环实验电化学阻抗谱性能衰减

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带有支撑层的一体式再生燃料电池新结构及性能分析

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西安交通大学学报 2023年第7期57卷 111-119页

作者：刘洋邱殿凯彭林法林赫上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

针对一体式再生燃料电池(URFC)双向性能低的问题,以多孔传输层(PTL)与催化剂涂覆膜(CCM)之间界面接触为切入点,提出一种包含支撑层的新型URFC结构,并对PTL结构参数进行优化。通过极化曲线和电化学阻抗谱分析了不同结构URFC的性能。实验... 详细信息

针对一体式再生燃料电池(URFC)双向性能低的问题,以多孔传输层(PTL)与催化剂涂覆膜(CCM)之间界面接触为切入点,提出一种包含支撑层的新型URFC结构,并对PTL结构参数进行优化。通过极化曲线和电化学阻抗谱分析了不同结构URFC的性能。实验发现:钛毡纤维结构细密化有利于提升URFC双向性能,当电流密度为1.5 A/cm 2时,带有支撑层的URFC相比传统URFC,在燃料电池模式下电压上升了69 mV,在电解槽模式下电压下降了12 mV;新结构URFC具有更小的接触阻抗及质子传输阻抗,比燃料电池模式的高频阻抗下降了16.2%。压敏纸实验和电镜测试表明,支撑层可以使催化层与PTL之间的宏观接触应力分布更加均匀,改善了钛纤维与催化层之间界面的微观接触状态,有利于提高电子传输效率及反应动力。研究可为一体式再生燃料电池结构设计及优化提供参考。

关键词：一体式再生燃料电池结构设计多孔传输层支撑层

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阶梯型流道一体式再生燃料电池性能模拟

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工程热物理学报 2021年第11期42卷 2984-2990页

作者：乔佳楠郭航叶芳马重芳北京工业大学能源与动力工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室北京100124

基于一个二维、两相、非等温且耦合电化学反应的一体式再生燃料电池模型,设计了四种沿流动方向深度呈阶梯形变化的流道,与直流道和相同入口深度的浅直流道进行对比,研究了电池在燃料电池模式和电解池模式的电性能、温度分布及功耗等参... 详细信息

基于一个二维、两相、非等温且耦合电化学反应的一体式再生燃料电池模型,设计了四种沿流动方向深度呈阶梯形变化的流道,与直流道和相同入口深度的浅直流道进行对比,研究了电池在燃料电池模式和电解池模式的电性能、温度分布及功耗等参数。结果表明,渐浅阶梯型流道在燃料电池模式具有更好的电性能、排水性和温度均匀性;电解池模式下,渐深阶梯流道比渐浅阶梯流道的综合性能好。提出了一种置换氧气侧流道进出口的模式切换方式,能够提升一体式再生燃料电池的综合性能。

关键词：一体式再生燃料电池阶梯型流道电性能传热传质模式切换方式

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一体式再生燃料电池模式切换过程传热传质动态响应模拟

一体式再生燃料电池模式切换过程传热传质动态响应模拟

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作者：肖红北京工业大学

学位级别：硕士

世界对氢能利用的关注，加快了燃料电池和水电解技术的发展。同时具备这两种功能的一体式再生燃料电池由于清洁、比能量高等优点成为各国研究的重点。一体式再生燃料电池模式切换过程中复杂的传热传质特性对工作条件和模式切换方式的优... 详细信息

世界对氢能利用的关注，加快了燃料电池和水电解技术的发展。同时具备这两种功能的一体式再生燃料电池由于清洁、比能量高等优点成为各国研究的重点。一体式再生燃料电池模式切换过程中复杂的传热传质特性对工作条件和模式切换方式的优化以及传热传质的强化都具有指导意义。\n 国内外关于一体式再生燃料电池实验研究集中在催化剂类型、膜电极制备方法、流场板结构、扩散层防腐蚀以及系统性能上。目前，关于一体式再生燃料电池数值模拟方面的文章屈指可数。其中两篇是针对模式切换过程，但都是等温模型，只是通过改变工作电压实现模式切换。没有公开文献研究以质子交换膜为电解质的一体式再生燃料电池在模式切换过程中的传热传质特性。\n 本文建立二维、单相、非等温、结合电化学反应的全电池模型，通过数值计算研究一体式再生燃料电池模式切换过程传热传质规律，提出新的模式切换方式。\n 首先，建立稳态模型探究两种模式下传热传质规律，扩散层导热系数对电池传热影响以及不同操作温度下电池的性能。燃料电池模式和电解模式下气体质量分数分布趋势相反，电池温度随工作电压的变化也不同。较高的导热系数会使电池整体温度降低，氧电极侧扩散层的导热系数对电池温度影响较大。质子交换膜含水量充足的情况下，燃料电池和电解池的性能均随着操作温度的升高而增强。\n 然后，建立瞬态模型研究一体式再生燃料电池由燃料电池模式切换到电解模式过程中各参数动态响应。模式切换过程中电流密度、气体质量分数和温度都会发生骤变，温度的响应速度远小于电流密度和气体质量分数。模式切换后电池温度有所下降，最高温度出现位置发生变化，电池最大温差不超过1.5K。燃料电池和电解模式下电池热量分别主要来自氧电极催化层和质子交换膜。\n 最后，通过控制物料边界条件和操作电压，提出8种不同的模式切换方式。计算并分析了这几种模式切换方案下电池内部电化学信号及传热传质动态响应。模式切换过程中，电池电流密度随反应物质量分数的增加而增大，电池热源随电流密度瞬间响应，温度随热源响应较慢。氢电极侧入口速度对模式切换过程中电流密度和氧气质量分数几乎没有影响。电池到达稳定状态的时间随电压线性变化时间增加而增加，电流密度、气体传质和温度到达稳定状态的时间依次增加。燃料电池模式切换到电解模式时，提高水的质量分数并保持较低的氢电极进口速度最有利于模式切换。模式切换时，改变进口气体质量分数会增加电池动态到达稳定状态的时间，电池在两个周期里有相似的响应。

关键词：一体式再生燃料电池模式切换传热传质特性动态响应质子交换膜

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一体式再生燃料电池模式切换过程两相热质传递数值模拟

一体式再生燃料电池模式切换过程两相热质传递数值模拟

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作者：伊许玲北京工业大学

学位级别：硕士

本文建立以质子交换膜为固体电解质的一体式再生燃料电池的二维、两相、非等温、瞬态及耦合电化学反应的全电池模型。利用上述所建模型，主要研究了一体式再生燃料电池工作在燃料电池模式和电解池模式两种单模式下电池内部的两相传热传... 详细信息

本文建立以质子交换膜为固体电解质的一体式再生燃料电池的二维、两相、非等温、瞬态及耦合电化学反应的全电池模型。利用上述所建模型，主要研究了一体式再生燃料电池工作在燃料电池模式和电解池模式两种单模式下电池内部的两相传热传质及电信号的瞬态响应规律。在此基础上，本文继续探究了一体式再生燃料电池由燃料电池模式切换至电解池模式的过程中，电池内部所呈现出的两相流、热质传递和电信号的响应特性。最后，本文通过设置不同的模式切换方案，包括控制电池的操作温度、控制供水流量、电压间隔切换及电压渐变切换四种方案，探讨在四种不同模式切换方案下的电池内部的两相传热传质特性。　　基于上述本文所研究的主要内容，通过数值模拟的方法计算实施，得出以下结论:燃料电池模式和电解池模式下，液态水到达稳态所需要的时间比温度、电流密度、气体组分质量分数到达稳态的时间长。电流密度、气体组分浓度、温度、电解质电势、过电势、液态水饱和度会随着模式切换过程而出现骤变，且它们对模式切换后的瞬态响应时间有所不同。模式切换过程中，液态水饱和度沿流动方向上由燃料电池模式下的逐渐增大转变为电解池模式下的逐渐减小;液态水饱和度沿催化层至流道方向上由燃料电池模式下的逐渐减小转变为电解池模式下的逐渐增大。模式切换过程中，电池各层平均温度由燃料电池模式的升温转变为电解池模式下的降温;模式切换后，电池的各层温度均低于电池的初始温度，最大温降不超过1.5K。液态水饱和度随操作温度的升高由模式切换前的逐渐增大转变为模式切换后的逐渐减小，且电解池模式下的液态水饱和度变化梯度大于燃料电池模式下的变化梯度。模式切换过程中，随着供水流量的增大，电解池模式下的工作电流密度在逐渐减小，而氧气摩尔浓度、温降幅度、液态水饱和度则在逐渐增大;液态水饱和度的变化梯度随着供水流量的增大在逐渐减小;供水流量越大，液态水饱和度、温度、气体组分浓度、电流密度在模式切换后的瞬态响应时间越短。间隔切换方案下，随工作电压突变为1.18V，液态水饱和度由燃料电池模式下的逐渐增大在较短的时间内转变为逐渐减小;随着模式切换至电解池模式，液态水饱和度在约为2s的时间内骤然上升。液态水饱和度在渐变切换方案下随工作电压突变为1.5V时，在约为2s的时间内骤然上升。之后随工作电压再次的增大至1.8V时，液态水饱和度出现骤然下降的趋势。

关键词：一体式再生燃料电池模式切换两相流传热传质特性电信号瞬态响应

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