Abstract ：

铂基纳米结构催化剂因其高活性而成为质子交换膜燃料电池阴极最有应用前景的氧还原催化剂.电化学脱合金能够通过调节铂基催化剂的表面结构提升催化剂性能,并且兼具简单易行、低成本等优点,成为优化铂基催化剂的有效手段之一.重点介绍电化学脱合金在铂基催化剂的微结构调控中的应用研究进展.首先,对铂基氧还原催化剂的电化学脱合金机理进行了归纳总结;其次,从纳米催化剂(组分、粒径、表面暴露晶面)和电化学脱合金条件(电位、扫描速率、气氛)两大方面分析了电化学脱合金在铂基催化剂微观结构调控中的机理,并对其未来的研究发展进行了展望.

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氧还原反应 透射电子显微学 铂基催化剂 微结构 电化学脱合金 燃料电池

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质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆结构是由端板、绝缘板、集流板、双极板、密封线和膜电极等共同组成,在组装电堆时,密封线之间以及密封线和膜电极之间的压力分配直接关系到电堆结构的稳定性。本文通过数值模拟的方式,以简化模型为例,探究双层密封线高度设计对密封线之间应力应变分布的影响,为电堆结构的优化提供参考依据。

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电堆 数值模拟 质子交换膜燃料电池 应力分布 密封线

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在质子交换膜燃料电池(PEMFC)装堆过程中,膜电极(MEA)受压变形情况,对电堆性能有重要影响。为了分析MEA变形过程,建立双极板-膜电极简化三维模型,通过有限元法分析不同装配压力下单流道MEA的形变和应力分布情况,研究装配压力对MEA形变的影响,给出优化指导。

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质子交换膜燃料电池(PEMFC) 有限元法 膜电极 气体扩散层 装配压力

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文章以质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）系统为研究对象，分析系统中各组成部件的工作机理，在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型，同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型，将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障：散热器风扇故障和冷却液流量不足故障，对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明：PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致，验证了模型的合理性；通过对热管理系统故障进行仿真，可以清楚地了解故障发生的机理，为其故障诊断提供了参考依据。

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热管理系统 故障仿真 建模 质子交换膜燃料电池 Simulink/Simscape

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以气体扩散层随机重构为基础,建立二维、两相、非等温质子交换膜燃料电池模型,探究扩散层孔隙率对电池输出功率及物质分布的影响.结果表明,电池内部物质分布受扩散层结构的影响,扩散层孔隙率的减小有利于电子的传导,但会阻碍电池内部的物质传输,降低电池内部物质分布的均匀性;膜两侧物质分布均受孔隙率影响,阴极侧受影响效果更显著.

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非均质结构 电池性能 气体扩散层 传质 质子交换膜燃料电池

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气体扩散层是质子交换膜燃料电池的关键部件,在电池内用于支撑和保护质子交换膜和催化剂层,并且为电子传导和气体输运提供通道.孔隙率作为扩散层主要参数,其大小影响扩散层特性,最终影响电池性能.所以,为获得较有利的孔隙率,本文建立三维全电池结块模型,计算定值及沿不同方向阶梯型变化孔隙率对电池性能的影响,并且计算不同电压下对应的最佳孔隙率值.结果表明,增大孔隙率可明显提升浓差极化区电池性能,但是会降低欧姆极化区性能.沿流动方向孔隙率增加可改善电池性能,但是孔隙率变化幅度不宜过大,从脊下到流道下孔隙增加可提升电池性能.不同电压下使得电流密度最大时对应的孔隙率不同,且随电压增加而降低,0.2 V时电流密度可提升5.28％.

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氢能 孔隙率 气体扩散层 数值模拟 质子交换膜燃料电池

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质子交换膜燃料电池具有比能量高、清洁高效等优点,流道作为燃料电池的核心结构之一,其结构尺寸对气体传输、液态水排出都有着重要影响,选择合适尺寸参数对实际运行具有重要意义。以50 mm×50 mm单蛇形流道电池为研究对象,采用数值模拟的方法,建立质子交换膜燃料电池三维两相等温模型,分析流道深度、流道宽度、流道脊宽等参数对电池电流密度、气体传质特性、电池净输出功率、排水性能的影响。结果表明:随着流道深度、流道宽度的减小,参与反应的氧气浓度提高,电流密度也随之提高,电池净输出功率逐渐增大,催化层排水性能逐渐增强,因此电池性能逐渐提高;随着流道脊宽的减小,参与反应的氧气浓度逐渐提高,电流密度随之增大,但电池净输出功率增加幅度较小,氧气浓度增加也较缓慢。

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传质 排水性能 流道 净输出功率 燃料电池 电流密度

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质子交换膜燃料电池在运行过程中反应物从流道传输至催化层时会经过气体扩散层，气体扩散层即可用来传输反应气体，又用来排出反应物生成的水，所以探究气体扩散层的结构对参加反应的物质及生成物传输的影响规律有助于了解其分布情况。通过数值模拟比较了穿孔型、树状型和不规则形状气体扩散层在不同孔隙率下顺流流动时对电池性能的影响情况。计算结果表明，气体扩散层结构严重影响质子交换膜燃料电池性能，三种不同形状的气体扩散层对应的电性能随孔隙率的变化规律各不相同，到达催化层表面氧气的含量受扩散层结构影响比氢气大，气体扩散层结构对阴极侧生成物水含量的影响不可忽略。

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电池性能 质子交换膜燃料电池 气体扩散层 孔隙率

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Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) has the advantages of high specific energy, clean and efficient. As one of the core structures of PEMFC, the structure size of channel has an important impact on the gas transmission and liquid water removal. Selecting appropriate size parameters is of great significance for practical operation. Taking 50 mm ×50 mm single serpentine channel cell as the research object, a three￣dimensional two￣phase isothermal model of PEMFC was established by numerical simulation. The effects of channel depth, channel width and channel ridge width on cell current density, gas mass transfer characteristics, net output power and drainage performance were analyzed. Results show that with the decrease of channel depth and channel width, the oxygen concentration involved in the reaction increases, the current density increases, the net output power increases, the drainage performance of the catalytic layer improves, and the cell performance improves gradually. With the decrease of the ridge width of the channel, the oxygen concentration participating in the reaction gradually increases, and the current density increases, however, the increase of the net output power in the channel is comparatively small, and the increase of the oxygen concentration is comparatively slow. © 2023 Beijing University of Technology. All rights reserved.

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fuel cell drainage performance current density mass transfer net output power channel

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催化层中铂载量沿流道方向的梯度分布会影响反应物利用以及热量和物质的传递，而操作条件对铂载量梯度分布质子交换膜燃料电池电性能和传热传质的影响尚不明确。因此，基于二维、非等温、两相质子交换膜燃料电池模型探究了操作条件反应物流向和化学计量比对铂载量二梯度分布和多梯度分布中的三梯度分布质子交换膜燃料电池的影响。研究表明，反应物流向对铂载量梯度分布燃料电池的电性能和物质含量的影响较弱；化学计量比的增加可以提高铂载量梯度分布燃料电池的电性能，并且随着化学计量比的增加，铂载量梯度分布的燃料电池性能相对于均匀分布的燃料电池性能的提升效果增强。

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操作条件 传质 传热 非均匀分布 电池性能 质子交换膜燃料电池 催化剂

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