科学家对以碳材料为基础的燃料电池展开了综述

   理工小二        

随着交通运输业对可再生能源需求的不断增加和汽车运营技术趋势的转变,电动车燃料电池已成为研究的热点,其仍有许多潜在的特点有待改进。燃料电池由于其高能量密度,良好的范围,良好的响应,低温操作和快速启动技术,被认为是一个很好的替代。


近日,以Nazmus Saadat为首的团队展开了研究,并以“Recent advances and future perspectives of carbon materials for fuel cell”为题,于北京时间2020年11月10日发表于Renewable and Sustainable Energy Reviews,旨在揭示在燃料电池中的碳材料的最新进展和未来展望。


科学家对以碳材料为基础的燃料电池展开了综述


在不久的将来,燃料电池将挑战最近电池为基础的能源系统的强大进展。尽管存在许多挑战,包括材料组成、储存和分配,但由于其安全运输和使用的能力,导致二氧化碳和颗粒物排放急剧下降,氢燃料电池在卡车和车队运输系统中显示出了其潜力。研究表明,质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术在燃料电池电动汽车(FCEVs)上已进入商业化阶段。研究进一步揭示了需要对材料性能和板设计进行更集中的研究,以提高复合双极板(BPP)的效能,特别是其电气和机械性能,作为质子交换膜燃料电池的主要部件之一。碳纤维、膨胀石墨和碳纳米管是很有前途的功能材料,可通过解决团聚和热力学相容性差等关键问题,进一步提高双极板的性能。导电聚合物嵌碳纳米材料对质子交换膜燃料电池的性能有很大的改善潜力。该研究讨论了影响碳材料在燃料电池组件中引入的关键参数,重点讨论了BPP的电气、机械和耐久性性能。对未来的发展提出了成本vs性能的建议。该研究还概述了燃料电池技术的范围和未来前景,通过回顾碳聚合物基BPP的最新发展,试图强调其作为PEMFC高性能双极板的潜在商业应用。


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PEMFC是最常见的燃料电池,作为可替代的可再生能源之一,有助于减少化石燃料的消耗对气候变化和空气污染的负面影响。在这一领域的研究主题之一是BPP,重要功能的细胞,如统一分配燃料气体和氧气,收集和传导电流从阳极到阴极的下一个细胞形成一个燃料电池堆栈使用所需的电压,适当的细胞内的水管理,消除热量和支持膜电极组件(量)维持夹压力。BPP占总重量的80%,总成本的40-60%,需要改进。然而,通过实施不同参数的协同效应,如石墨结构和取向的影响、使用合适的聚合物基体对机械性能和电性能的影响等,有助于提高双极板整体性能的关键因素的研究还存在空白。除此之外,填料的分散性、表面粗糙度、成型温度、压力和时间也是需要考虑的重要因素。该研究综述了近年来国内外在双极板性能改善方面的研究进展,特别是在导电性能和机械强度方面。


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图1所示。PEM燃料电池:a)反应物输送路径的组成和示意图;b)带外部歧管的燃料电池堆


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图2所示。影响BPP复合性能的重要因素:a)粗糙度与压力和温度的关系b)电导率与压力和温度的关系


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图3所示。不同参数对平面内、通平面电导率的影响

a)、b)炭黑(CB)对电导率和抗弯强度的影响;

c)成型温度效应和d)成型压力对电导率的影响


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图4所示。石墨结构显示sp2杂化原子和层


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图5所示。a)片状石墨和b)膨胀或脱落石墨的SEM图像


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图6所示。双极板的压缩成型工艺


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图7所示。BPP的不同制备工艺(a)激光烧结工艺,(b)软层法,

(c)石墨预浸工艺,(d)真空树脂浸渍工艺,(e)溶胶-凝胶法和(f)湿铺工艺。


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图8所示。BPP复合材料抗弯强度示意图a)不加筋b)加筋填充料


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图9所示。燃料电池生命周期分析过程a) LCA的范围b)生命周期过程流程图


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图10所示。燃料电池的成本分析

a)产量为50万辆/年的燃料电池堆的成本细分

b)燃料电池系统在两种不同系统产量下的年成本


随着电动汽车对减少温室气体排放和减少对化石燃料依赖的需求的增加,这一可再生能源领域的研究将变得更加激烈。氢燃料的潜力更大,因为与传统电池材料相比,氢燃料含有更好的化学能,尽管在成本和可用性方面存在很大的挑战。燃料电池对于更清洁、更高效的电源尤其具有吸引力,它表现出最灵活的化学-电能转换。此外,由于电池驱动电动汽车的电池材料不够丰富,加油时间较长,以及气候变化对效率的影响,鼓励更多的研究燃料电池作为下一代中重型电动汽车技术。这可以通过在保持高性能的同时提高碳材料基组件的耐用性和成本来实现。近年来该领域的研究进展备受关注,其电热能联产效率可达80%,而氢燃料电池可使>比ICE减少90%的环境污染物。然而,新技术的出现需要易于制造、更高的效率和可回收性,这可能通过实验室研究和工业规模的更大协调。应该更多地关注材料的可回收性、基于填料-基体相互作用的成分平衡、制造条件以及电气和机械性能的优化,特别是在不牺牲柔韧性的前提下保持强度和刚度。


该研究重点研究了近年来影响双极板等燃料电池碳质材料组分性能和耐久性改善的关键因素。材料、制造技术和参数如何影响双极板的性能和性能,已讨论和提出连接机制的性能改善。并对不同论文所概述的相关性质进行了比较,重点阐述了关键的应用领域。主要目标是阐明与燃料电池双极板可持续发展的最新研究工作的关键因素。


•填料的类型、取向和分散以及聚合物基体的结晶度是影响其电性能的主要参数。影响机械强度的参数有聚合物基质类型、表面能、填料-聚合物界面性能和纤维增强的使用


•影响电子和机械性能的外部参数是工艺温度、压力和成型时间。然而,这些因素控制了内部参数,因此,需要对不同的填料-聚合物对进行不同的优化,以获得最大的效果


•CB、CF、CNT和EG是潜在的填充材料,可以提高双极板的性能,尽管它们都有各自的临界阈值,超过这个阈值就会出现团聚问题。对于聚合物,导电聚合物和相容剂的使用有助于提高其电学和力学性能


•填充料的长径比是影响填充料性能的关键因素,细长颗粒的填充效果优于圆形颗粒。然而,两种或两种以上不同尺寸的填料可能被用来获得额外的导电通道和更好的负载分布,创造更少的空隙颗粒之间。在这种情况下,对于较小尺寸的填料和纳米颗粒,团聚或适当的分散可能是主要问题。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120308200


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