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》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。

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。

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。

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
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
气体扩散层是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的一个重要组成部分。

它位于阳极和阴极电极之间的气体侧，用于传递燃料气体和氧气气体到电极反应表面。

气体扩散层通常由多孔材料构成，例如碳纤维纸或碳纤维布。

这些材料具有良好的导气性和导电性，以便气体能够顺利地在电池中流动。

气体扩散层的主要功能是促进燃料氧化反应和氧气还原反应的进行。

它通过提供大量的孔隙结构和表面积，增加了燃料和氧气与催化剂之间的接触面积，从而提高了反应效率。

此外，气体扩散层还起到了液体水的传输和分布的作用。

在PEMFC中，由于电化学反应产生的水分会堵塞气体扩散层的孔隙结构，从而降低气体的传输能力。

因此，设计合适的气体扩散层对于确保燃料电池的长期稳定运行至关重要。

总之，气体扩散层在质子交换膜燃料电池中起着关键的作用，它促进了燃料和氧气的传输和反应，并有助于有效地管理液体水的产生和分布。

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2022年第41卷第3期质子交换膜燃料电池研究进展高帷韬，雷一杰，张勋，胡晓波，宋平平，赵卿，王诚，毛宗强（清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084）摘要：质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC ）因具有效率高、功率密度大、排放产物仅为水、低温启动性好等多方面优点，被公认为下一代车用动力的发展方向之一。

然而，目前PEMFC 在耐久性和成本方面距离商业化的要求还存在一定差距。

为攻克上述两大难题，需要燃料电池全产业链的共同努力和进步。

本文回顾了近年来质子交换膜燃料电池从催化剂、膜电极组件、电堆到燃料电池发动机全产业链的研究进展和成果，梳理出单原子催化剂、非贵金属催化剂、特殊形貌催化剂、有序化催化层、高温质子交换膜、膜电极层间界面优化、一体化双极板-扩散层、氢气系统循环等研究热点。

文章指出，催化层低铂/非铂化、质子交换膜超薄化、膜电极组件梯度化/有序化、燃料电池运行高温化、自增湿化是未来的发展趋势，迫切需要进一步的创新与突破。

关键词：燃料电池；催化剂；膜；膜电极组件；燃料电池堆；燃料电池发动机中图分类号：TK91文献标志码：A文章编号：1000-6613（2022）03-1539-17An overview of proton exchange membrane fuel cellGAO Weitao,LEI Yijie,ZHANG Xun,HU Xiaobo,SONG Pingping,ZHAO Qing,WANG Cheng,MAO Zongqiang(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)has been considered as one of the most promising next-generation power sources for clean automobiles because of their advantages in efficiency,power density,environmental friendliness,low temperature start ability,etc..However,the gap between the durability and cost of PEMFC and those of commercialization requirements is still large.To overcome the above-mentioned two major problems,joint efforts and progress of the entire fuel cell process chain are required.In this paper,the recent research progress of the entire PEMFC process chain,from catalysts,membrane electrode assemblies (MEA),fuel cell stacks to fuel cell engines,are analyzed and classified reviewed,and research hotspots such as single-atom catalysts,non-noble metal catalysts,special morphology catalysts,ordered catalyst layers,high-temperature proton exchange membranes,MEA interlayer interface optimization,integrated porous bipolar plates,hydrogen circulation,are introduced.This paper points out that low/non-platinum catalyst layers,ultra-thin proton exchange membranes,gradient/ordered MEA,high-temperature operation and self-humidification of fuel cells are the future development trends,of which further innovation and breakthrough are urgently needed.Keywords:fuel cells;catalyst;membranes;membrane electrode assemblies;fuel cell stack;fuel cell engine特约评述DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2003收稿日期：2021-09-23；修改稿日期：2021-12-07。

燃料电池性能衰减后的恢复机理和方法—作者：秋分萧瑟耐久性(或寿命)是质子交换膜燃料电池商业化推广的关键，也是材料技术突破与实践应用的难点。

已知公开文献报道，国内燃料电池系统台架寿命已经突破6000小时，达到了商业化推广的设定目标，即5000小时和15万公里，而国外的燃料电池系统寿命则已经超过一万小时。

质子交换膜燃料电池单体，是由质子交换膜、镶嵌在碳载体上的Pt颗粒组成的催化剂层、气体扩散层和双极板组成。

燃料电池的性能衰退机理涉及到众多的反应过程，复杂多变，尚未完全解释清楚。

下面这张图是美国能源部针对燃料电池耐久性的跨空间和时间双尺度的研究视野，从电堆衰退的宏观表征到微观的机理阐释，从大时间尺度的电堆性能衰减到催化剂等的瞬态演化。

耐久性研究是燃料电池技术发展的关键。

其中，燃料电池单片活性面积损失是导致性能下降的重要原因。

活性面积损失有多个来源：纳米尺寸的铂颗粒由于Ostwald熟化等原因导致聚集、溶解、迁移，铂离子迁移到膜表面，被阳极渗透过来的氢气还原而形成铂带，造成不可逆损失；碳载体腐蚀，导致铂颗粒的脱落和溶解；空气和氢气中的污染物和杂质在铂颗粒表面吸附，影响铂的活性等。

催化剂层活性面积下降，进一步导致阴极氧气还原反应速率降低，活化过电势增大，其最终表现是燃料电池堆输出性能下降。

在导致Pt/C型催化剂活性降低的原因之中，表面氧化物形成、磺化阴离子吸收(SO3-)、一氧化碳(-CO)和二氧化硫(-SO2)吸附等，会导致铂颗粒表面氧气，难以与质子、电子等发生反应，反应活性下降。

在燃料电池系统应用过程中，如何采取有效措施进行催化剂的再活化，使得燃料电池堆在衰退后能够恢复部分性能，从而延长燃料电池系统使用寿命，也是众多燃料电池公司研究的重点。

首先介绍Pt/C型催化剂的降解机理，再引出其再活化机制。

车用环境下，燃料电池系统的运行工况复杂多变，快速加减载和启停等会导致燃料电池电位快速变化，而电位快速变化会导致催化剂严重衰减。

燃料电池额定功率衰减机理燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，在新能源汽车、便携式电源等领域具有广泛的应用前景。

然而，燃料电池的额定功率衰减问题一直是制约其大规模应用的瓶颈。

燃料电池额定功率衰减的主要原因包括膜电极的不可逆降解、催化剂的活性降低、碳载体的结构变化等。

本文将从燃料电池额定功率衰减的机理入手，分析影响燃料电池额定功率衰减的主要因素，并探讨相应的解决措施。

一、膜电极的不可逆降解1. 质子交换膜的衰减质子交换膜是燃料电池的核心部件之一，其性能直接影响到燃料电池的输出功率和耐久性。

质子交换膜的衰减主要表现为其质子传输性能的降低和机械强度的下降。

在燃料电池的工作过程中，质子交换膜长期处于高温、高湿、高压等恶劣环境下，容易发生水解、降解、碳化等不可逆变化，导致其质子传输性能下降，进而影响燃料电池的额定功率。

2. 催化层的衰减催化层是燃料电池的另一核心部件，其性能直接影响到燃料电池的化学反应速率和能量转换效率。

催化层的衰减主要表现为催化剂活性的降低和载体结构的改变。

在燃料电池的工作过程中，催化剂长期暴露于高温、高压、强氧化还原环境，容易发生活性物质脱落、晶格畸变、烧结等不可逆变化，导致催化剂活性降低，进而影响燃料电池的额定功率。

二、催化剂的活性降低催化剂是燃料电池的关键材料，其活性直接影响到燃料电池的化学反应速率和能量转换效率。

催化剂的活性降低主要表现为其氧化还原性能的下降和耐久性的降低。

在燃料电池的工作过程中，催化剂长期处于高温、高压、强氧化还原环境，容易发生活性物质脱落、晶格畸变、烧结等不可逆变化，导致催化剂活性降低，进而影响燃料电池的额定功率。

三、碳载体的结构变化碳载体是燃料电池的重要组成部分，其结构直接影响到燃料电池的电极性能和耐久性。

碳载体的结构变化主要表现为其比表面积的下降、孔结构的改变和机械强度的降低。

在燃料电池的工作过程中，碳载体长期处于高温、高压、强氧化还原环境，容易发生碳结构的热解、氧化、腐蚀等不可逆变化，导致碳载体的结构发生变化，进而影响燃料电池的额定功率。

车⽤启停⼯况下质⼦交换膜燃料电池堆的衰减机理开路/怠速、变载、启停是加速燃料电池堆材料和部件⽼化的三⼤关键车⽤⼯况。

其中，启停⼯况下影响燃料电池耐久性的主要原因是氢/空界⾯造成的⾼界⾯电势差。

本⽂分享启停⼯况下燃料电池寿命的衰减机理。

启停是引发燃料电池⾮正常反应的⼀个特殊⼯况，其加速燃料电池衰减的最主要原因是阳极氢/空界⾯造成的阴极⾼界⾯电势差(可⾼达1.5V)。

启停⼯况下，构成催化层主要框架的碳载体会严重腐蚀，进⽽影响Pt催化剂和离聚物。

另外，阴极催化层结构受影响将产⽣变化甚⾄塌陷，降低电化学活性⾯积、增加电荷传质阻⼒和质量传输阻⼒。

此外，低温启动作为启停⼯况的⼀个组成部分，其结冰/融冰循环对电池关键材料和耐久性也造成显著影响。

因此，开发耐⾼电位的电极材料和优化启停控制策略尤为必要。

最新电堆耐久性测评国标中启停⼯况测试循环最新发布的《车⽤质⼦交换膜燃料电池堆使⽤寿命测试评价⽅法》国标中将变载测试循环中间增加7次启停，拆分成8段完成，每30分钟左右为1个“启停-变载-循环”⼩循环，如上图所述。

1个完整循环的测试，包括8次启停、217次加载、额定⼯况时间738 s、怠速时间3680 s，其中最后⼀次加载到基准电流⼯况维持90 s。

在启动阶段，通常采⽤氢⽓对混⼊空⽓的阳极电极和流道进⾏吹扫。

在停机阶段，由于空⽓从阴极反渗透进⼊阳极，或环境空⽓从阳极出⼝进⼊阳极腔体，阳极会产⽣氢/空界⾯，即使采⽤空⽓吹扫，短时间内仍然会出现氢/空界⾯。

⽂章链接→车⽤变载⼯况下质⼦交换膜燃料电池堆的衰减机理⽂章链接→车⽤开路/怠速⼯况下质⼦交换膜燃料电池堆的衰减机理反向电流启停阶段，受反向电流机制影响，碳载体⾸当其冲。

碳载体腐蚀将引发催化剂降解和催化层结构损坏，影响电荷传输和质量传输。

启停⼯况下，阴极局部区域出现较⼤的界⾯电势差，危及阴极部件和结构(阴极区域指暴露在氧⽓环境中的阳极对应区域)。

如下图所⽰，启停阶段中阳极同时暴露在氧⽓和氢⽓环境中，形成氢/空界⾯，将电池分为左右两个区域。

燃料电池发动机研发方案一、实施背景随着中国对环保和能源转型的重视，燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，逐渐成为能源领域的研究热点。

中国政府也积极推动燃料电池的研发和应用，以实现能源结构的优化和减少对传统能源的依赖。

在此背景下，某公司决定开展燃料电池发动机的研发项目，以适应未来能源市场的发展趋势。

二、工作原理燃料电池发动机是一种将氢气（或天然气）与氧气发生化学反应，产生电能和热能的装置。

其基本原理是“电化学反应”，涉及质子交换膜、催化剂、气体扩散层等关键组件。

1.质子交换膜：作为燃料电池的核心部件，它允许氢质子通过，但阻止电子通过。

这使得氢质子能够在阳极和阴极之间自由流动，而电子则必须通过外部电路流动。

2.催化剂：在质子交换膜两侧，分别使用了不同的催化剂，加速了氢气和氧气的反应速度。

3.气体扩散层：提供了反应气体（氢气和氧气）的通道，同时收集和导出了反应产生的电流。

当氢气和氧气在催化剂的作用下发生反应时，会产生电能和热能。

其中，电能可以通过外部电路输出；热能则用于驱动发动机或其他设备。

三、实施计划步骤1.需求分析：对市场进行调研，了解客户需求，为研发提供方向。

2.技术研究：开展与燃料电池发动机相关的技术研发，包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层等领域。

3.实验设计：根据技术研究的结果，设计并建立燃料电池发动机原型。

4.原型测试：对燃料电池发动机原型进行性能测试，包括电能输出、热能转换效率等指标。

5.优化改进：根据测试结果，对原型进行优化改进，提高性能。

6.市场推广：将改进后的燃料电池发动机推向市场，并持续提供技术支持和服务。

四、适用范围1.交通运输：燃料电池发动机可以作为汽车、大巴车、火车甚至船舶的动力源，实现零排放、低噪音、高效率的能源转换。

2.电力生产：燃料电池发动机可以作为小型或应急的电力生产设备，提供稳定的电力输出。

3.工业领域：在某些需要大量热能和电能的高能耗行业，如钢铁、化工等，燃料电池发动机有望替代传统的能源转换设备。

第41卷2024 年 3 月应用化学CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY第3期365⁃376质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展顾婷婷1张科1张心周1刘阳1孙伟才1谭爱东2刘建国2*1（中钛国创（青岛）科技有限公司，青岛 266111）2（华北电力大学，北京 100054）摘要气体扩散层在质子交换膜（PEM）水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。

PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境，对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。

气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。

本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料，简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响，分析了各种镀层材料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应（OER）性能方面的作用。

最后，展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。

关键词质子交换膜水电解池；阳极气体扩散层；多孔钛；镀层材料中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1000-0518（2024）03-0365-12随着时代的发展，传统的化石燃料已无法满足人类社会的能源需求，其使用过程中产生的大量CO2气体威胁着人类的生存环境，能源问题备受关注。

风能、太阳能、水能和地热能等新型清洁能源正在迅速发展［1］。

然而，这些清洁能源大多具有间歇性的特点，容易受到时空的限制。

氢能是一种来源丰富、绿色低碳和应用广泛的二次能源，有着能量密度高（140 MJ/kg）和环境友好的特点，正在逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一［2］。

电解水制氢技术将太阳能、风能等可再生能源转化的电能以氢气为载体储存起来，再通过高压气态储运、低温液氢储运、金属储氢和掺氢天然气管道运输等方式转运，最后利用燃料电池技术实现化学能和电能之间的高效转换，打破可再生能源时空分布不均匀的僵局［3］。

2021年第3期曹婷婷崔新然马千里王茁韩聪米新艳于力娜张克金（一汽解放商用车开发院，长春130011）【摘要】气体扩散层（GDL ）是质子交换膜燃料电池（PEMFC ）的重要组件，在燃料电池电堆中起到电子传导、反应气体传输、电堆水热管理的作用。

近年来，随着质子交换膜燃料电池的开发和应用愈发广泛，气体扩散层的开发已成为加快燃料电池产业落地的关键因素。

重点阐述了质子交换膜燃料电池气体扩散层的市场发展、制备技术及工艺优化问题，评价了最新的气体扩散层表征手段与测试方法，并结合当前燃料电池电堆研究进展，指出当前气体扩散层研究中的不足及优化方向，并为气体扩散层的开发工作提出新的方向。

主题词：质子交换膜燃料电池气体扩散层气体传导电子传递水管理中图分类号：O646;TM911.4文献标识码：A DOI:10.19822/ki.1671-6329.20200198Research Progress of Gas Diffusion Layer in Proton ExchangeMembrane Fuel CellsCao Tingting,Cui Xinran,Ma Qianli,Wang Zhuo,Han Cong,Mi Xinyan,Yu Lina,Zhang Kejin （Commercial Vehicle Development Institute,FAW Jiefang Co.Ltd,Changchun 130011）【Abstract 】GDL is an important component of membrane electrode,which is the core part of PEMFC.It plays an important role in the conduction of electrons,in the transmission of reaction gases,in the management of water and heat in the fuel cell stack.In recent years,with the development and application of PEMFC becoming more and more extensive,GDL has become a key factor to accelerate realization of fuel cell industry.In this paper,the technology and development of gas diffusion layer in PEMFC are briefly introduced,the preparation technology and process optimization are described,the latest characterization and test methods of gas diffusion layer are evaluated and the application of GDL is carried out based on the current research progress of fuel cell stack.The shortcomings and optimization direction in the currentresearch are pointed out.Key words:Proton Exchange Membrane Fuel Cells(PEMFC),Gas Diffusion Layer （GDL ）,Gastransport,Electron transport,Water management质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展【欢迎引用】曹婷婷,崔新然,马千里,等.质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展[J].汽车文摘,2021(3):8-14.【Cite this paper 】Cao T,Cui X,Ma Q,et al.Research Progress of Gas Diffusion Layer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells [J].Automotive Digest (Chinese),2021(3):8-14.缩略语GDL Gas Diffusion Layer GDB Gas Diffusion Barrier PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel CellsMPLMicro-Porous Layer1前言近年来，质子交换膜燃料电池电堆因其清洁、高效的优点，受到国内外的广泛关注。