Fuel cell electrodes from organometallic Pt precursors: an easy atmospheric plasma approach
有机金属粉末（乙酰丙酮铂（II））在大气RF等离子体炬的后放电中分解以在炭黑载体上沉积Pt纳米颗粒。所得的纳米杂化材料的特征在于通过FEG-SEM和XPS技术，以突出其高含量的Pt，它们的氧化程度，和分散的Pt纳米粒子在基板上。还在通过处理覆盖在气体扩散层上的粉末混合物而实现的电极上进行单个燃料电池中的ICP-MS和电化学表征（循环伏安法、动态极化曲线）。与市售电极的催化活性和Pt负载的比较显示了这种简单创新、快速和稳健的沉积方法的巨大潜力。
2016-05-02 cond-mat.mtrl-sci
Parameter Estimates for a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Cathode
聚合物电解质膜燃料电池阴极模型的五个参数（气体扩散层的孔隙率，催化剂层的孔隙率，氧还原反应的交换电流密度，电解质的有效离子电导率，以及富液球形附聚物颗粒中氧的有效扩散系数与颗粒半径平方之比）通过实验极化曲线的最小二乘拟合确定。在这项工作中获得的参数值表明，离子传导和气相传输是两个过程显着影响PEMFC空气阴极的性能。虽然离子传导在宽的电流密度范围内影响阴极性能，但气相传输仅在高电流密度下影响阴极性能。
2013-08-21 cond-mat.mtrl-sci
A High Power Density, High Efficiency Hydrogen-Chlorine Regenerative Fuel Cell with a Low Precious Metal Content Catalyst
我们报道了具有氯电极的氢-氯电化学电池的性能，该氯电极采用低贵金属含量的合金氧化物电催化剂（Ru_0.09Co_0.91）_3O_4作为氯电极。该电池采用商用氢燃料电池电极，并以电流和电解模式通过Nafion膜传输质子。峰值电流功率密度超过1 W·cm^-2，是先前文献值的两倍。氯电极的贵金属负载量低于0.15 mg Ru cm^-2。几乎没有观察到活化损失，使电池在90%的电压效率下以接近0.4 W cm^-2的功率运行。我们报告了流体压力、电解质酸浓度和氢侧加湿对整体电池性能和效率的影响。我们的结果与Rugolo等人的模型的比较[Rugolo等人，J.电化学索科，2012，159，B133]指出了进一步性能增强的方向。这里报告的性能使这些设备在碳封存和电网规模的电能存储应用的承诺。
2012-06-13 cond-mat.mtrl-sci
Influence of particle size and agglomeration in solid oxide fuel cell cathodes using manganite nanoparticles
在这项工作中，我们研究了粒度和团聚的影响，在固体氧化物燃料电池阴极的性能与纳米粒子的La0.8Sr0.2MnO3。我们遵循基于液体混合方法的两条合成路线。在这两个程序中，我们引入了额外的试剂，以分离锰氧化物颗粒。我们通过电化学阻抗谱在对称（阴极/电解质/阴极）电池中评价阴极性能。通过用于阴极烧结的温度来调节粒度。我们的研究结果表明，颗粒的解聚，有助于提高阴极性能。然而，性能与颗粒尺寸的依赖性尚不清楚，因为对于每种合成路线获得了不同的趋势。作为一个共同特征，具有最低面积比电阻的阴极是在最高温度下烧结的阴极。该结果表明，与阴极/电解质烧结质量相关的附加因素与粒度的影响叠加，然而，需要进一步的工作来澄清该问题。通过解聚获得的增强表明，使用这种方法值得考虑用于开发高性能的固体氧化物燃料电池电极。
2018-07-10 cond-mat.mtrl-sci
Simultaneous mapping of temperature and hydration in proton exchange membrane of fuel cells using magnetic resonance imaging
质子交换膜（PEM）燃料电池的效率取决于质子在PEM中的迁移率，其由膜的水合作用和温度决定。虽然光学技术或中子或X射线散射技术可用于研究PEM中的水合和温度的不均匀性，但这些技术不能在测量分层PEM中提供三维空间分辨率。由于其提供非侵入性3D图像的能力，PEM中质子的自旋-晶格弛豫时间（T1）和自旋-自旋弛豫时间（T2）对比度磁共振成像（MRI）已被建议作为绘制燃料电池中水合的方法。我们表明，虽然T1和T2成像可用于映射质子交换膜在等温条件下的水化，质子T1和T2也是温度的函数。对于PEM燃料电池，其中电流密度大并且预期有热梯度，T1和T2弛豫时间不能用于映射水合。然而，移动质子的化学位移是水合作用的强函数，而不是温度。因此，化学位移成像（CSI）可以用来映射水合。可移动质子的扩散常数，这可以通过脉冲场梯度NMR确定，增加与温度和水合。因此，CSI之后通过脉冲场梯度的扩散成像可用于PEM中的水合和温度的单独映射。在这里，我们展示了Nafion PEM中水合作用和温度的16 x 16像素MRI映射，空间分辨率为1 mm x 1 mm，总扫描时间为3分钟，温度分辨率为6 K，水合作用的不确定性在15%以内。所展示的映射可以推广用于成像任何燃料电池或液流电池的交换膜。
2023-01-07 cond-mat.mtrl-sci
Material Discovery and Design Principles for Stable, High Activity Perovskite Cathodes for Solid Oxide Fuel Cells
开发改进的固体氧化物燃料电池（SOFC）技术的关键是具有高氧还原反应（ORR）催化活性和在阴极操作条件下的稳健稳定性的新型化合物。筛选了大约2145种不同的钙钛矿组合物作为高活性、稳定的SOFC阴极的潜在用途，并且验证了筛选方法定性地再现了充分研究的阴极材料的实验活性、稳定性和导电性质。所计算的氧p带中心用作表面交换系数（k*）的基于第一原理的描述符，其进而与阴极ORR活性相关。凸壳分析用于在氧、氢和水蒸气存在下的操作条件下确定热力学稳定性。这项研究已经产生了52种潜在的阴极材料，在典型的SOFC操作条件下具有良好的预测稳定性，并且预测k* 与领先的ORR钙钛矿催化剂相当。预测的k* 和稳定性的既定趋势用于建议改进已知有前途的化合物的性能的方法。在计算搜索中发现的材料设计策略和新材料有助于开发用于未来固体氧化物燃料电池和相关应用的高活性、稳定的化合物。
2019-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Theory-based design of sintered granular composites triples three-phase boundary in fuel cells
固体氧化物燃料电池从由自发电化学反应释放的能量产生电流。这些器件的效率关键取决于其电极的微观结构，特别是三相边界（TPB）长度，能量产生反应沿着该长度发生。我们提出了一个系统的最大化的TPB长度作为一个功能的四个容易控制的微观结构参数，对于任何给定的平均水力半径，这是一个传统的措施，气体流动的渗透性。我们确定的最大化参数，并表明，城规会的长度可以增加超过300%的因素相比，目前的常见做法。我们通过计算几个数值模拟结构的TPB来支持这一结果。我们还比较了四个模型的烧结电极中的一个单一的晶间接触，并表明，在文献中常用的模型是过于简化和非物理的。然后，我们提出了两个替代方案。
2017-11-06 cond-mat.mtrl-sci
Crack Formation in Ceramic Films Used in Solid Oxide Fuel Cells
固体氧化物燃料电池（SOFC）的制造涉及多层陶瓷结构的制造，对于该多层陶瓷结构，约束烧结在许多情况下是关键的处理步骤。在烧结结构中经常观察到缺陷，但它们在烧结过程中的形成并不清楚。在这项工作中，各种陶瓷薄膜制备丝网印刷和各种缺陷观察。有些薄膜出现泥裂缺陷，而另一些则出现分布的大孔隙。泥裂纹缺陷被发现起源于存在于生膜中的细裂纹的网络，并且在干燥和粘合剂烧尽期间形成。控制这些早期阶段对于生产无裂纹薄膜至关重要。为了研究缺陷在烧结过程中如何演变，使用压痕在绿色薄膜中引入人工裂纹。据观察，裂纹开口总是在约束烧结过程中增加。相比之下，类似的初始裂纹可以在共烧结过程中闭合和愈合。
2015-02-06 cond-mat.mtrl-sci
Microscopic conductivity of passive films on ferritic stainless steel for hydrogen fuel cells
本研究通过先进表面表征技术探究氢燃料电池用铁素体不锈钢钝化膜的微观导电性，发现膜内存在位置依赖的高导电区域，为优化分离板材料设计提供关键见解。
2023-06-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Importance of Catalyst Stability vis-à-vis Hydrogen Peroxide Formation Rates in PEM Fuel Cell Electrodes
研究了Pt、Pt二元（PtX，X = Co，Ru，Rh，V，Ni）和三元（PtCoX，X = Ir，Rh）催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中催化剂稳定性对过氧化氢（H2 O2）生成速率的不利影响。在旋转环盘电极上测量这些催化剂在氧还原反应（ORR）中对H2 O2形成的选择性。这些测量值与局部氧和质子浓度结合使用，以估计PEMFC阳极和阴极中的局部H2 O2形成速率。使用具有内置参比电极的单面膜电极组件（MEA）研究了H2 O2形成速率对这些催化剂（PtCo和PtIrCo）中最活跃和最耐用的催化剂对Nafion膜耐久性的影响。出水氟离子浓度被用作膜降解速率的指标。PtIrCo具有最小的氟释放速率（FER），其次是PtCo/KB和Pt/KB。虽然PtCo和PtIrCo表现出更高的选择性H2 O2的形成比纯铂，他们没有贡献膜降解。该结果是根据在液体电解质中以及在功能性PEM燃料电池中的电势循环测试中测量的催化剂稳定性来解释的。
2013-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Bipolar plates for the next generation of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs): A review of the latest processing methods for unconventional flow channels
University of Toronto（多伦多大学）
研究探讨了双极板在PEMFCs中的关键作用，分析了传统加工方法的局限性，并综述了新型加工技术如增材制造的应用与前景。
2026-04-01 cond-mat.mtrl-sci
In-phase current and temperature oscillations reduce PEM fuel cell resistivity: A modeling study
Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心）；Institute of Energy and Climate Research（能源与气候研究所）
本文通过非等温分析模型研究了相位电流和温度振荡对质子交换膜燃料电池阴极催化剂层阻抗的影响，发现振荡可降低电阻率和质子传输损失。
2026-03-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Apparatus for Operando X-ray Diffraction of Fuel Electrodes in High Temperature Solid State Electrochemical Cells
在操作期间表征电化学能量转换装置是用于将装置性能与实际操作条件下的电池材料的性质相关联的重要策略。虽然操作表征已广泛用于低温电化学电池，但由于这些电池需要高温和反应性气体气氛，这些技术对于固体氧化物电化学电池仍然具有挑战性。固体氧化物电化学电池的操作X射线衍射测量可以检测电池材料的晶体结构的变化，这对于理解限制装置寿命的降解过程是有用的，但是在这些电池的燃料电极上进行操作X射线衍射的实验能力尚未得到证明。在这里，我们提出的第一个实验装置，能够进行X射线衍射测量的燃料电极的高温固体氧化物电化学电池在还原性气体气氛下工作。我们目前的数据从一个示例性的实验与一个模型的固体氧化物电池，以证明该装置可以收集X射线衍射光谱在高温下在潮湿的H2气体中的电化学电池操作期间。使用该装置进行的测量可以揭示关于固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解槽电池劣化机制的新见解，从而能够设计耐用的高性能器件。
2018-08-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Microstructure Evolution of Solid Oxide Fuel Cell Anodes Characterized by Persistent Homology
揭示伴随固体氧化物燃料电池长期运行的微观结构演变机制是设计未来更耐用能源系统的根本挑战。迄今为止，燃料电池堆退化的研究主要集中在电化学性能上，很少集中在平均微观结构参数上。在这里，我们展示了另一种方法，其中的三维微观结构特征的演变进行了研究，使用电子断层扫描加上拓扑数据分析。后者在电极长期操作之前和之后产生微观结构的持久图像。这些图像揭示了对三个相关阶段的降解过程的新见解：镍，孔隙和钇稳定的锆。
2022-12-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Coupling Thermal Integration of a Solid Oxide Fuel Cell with a Magnesium Metal Hydride Tank
本文模拟和研究了圆柱形镁金属氢化物贮箱在700 ℃下与运行中的固体氧化物燃料电池（SOFC）热耦合时的脱氢行为。利用三维验证数学模型，模拟了氢从圆柱形镁氢化物储罐中的解吸过程。四个场景进行了模拟：一个基本情况下，其中的热源解吸过程是一个外部加热器周围的坦克。第二种情况检查的辐射热传递的影响，从固体氧化物燃料电池的金属氢化物作为一个可能的热源的解吸过程。第三种方案使用来自SOFC阴极的废气作为被驱动到氢化物的热源，第四种方案是来自SOFC阴极的废气和外部加热器两者的组合作为用于解吸的热源。结果表明，采用外加热器和排气热结合的方式，可以使燃料电池的温度分布均匀，提高了脱附能力。
2014-12-02 cond-mat.mtrl-sci
A Carbon Corrosion Model to Evaluate the Effect of Steady State and Transient Operation of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
基于聚合物电解质膜燃料电池电极碳和铂表面氧化物的形成，建立了碳腐蚀模型。该模型预测了电位保持和电位循环条件下的碳腐蚀速率。该模型包括碳表面氧化物的相互作用与瞬态物种，如OH自由基，以解释正常PEM燃料电池操作条件下观察到的碳腐蚀趋势。该模型预测同意定性与实验数据支持的假设，即碳和铂的表面氧化物形成的相互作用是碳腐蚀的主要驱动程序。
2014-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Interdiffusion between gadolinia doped ceria and yttria stabilized zirconia in solid oxide fuel cells: experimental investigation and kinetic modeling
氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）电解质与氧化钆掺杂的氧化铈（CGO）阻挡层之间的相互扩散是固体氧化物燃料电池（SOFC）性能退化的主要原因之一。在这项工作中，我们提出了实验研究CGO-YSZ双层电解质烧结在1250 ℃或1315 ℃和元素输运作为烧结温度和停留时间的函数。为了定量地模拟实验观察，通过将系统简化为CeO 2-ZrO 2准二元系统来进行CGO-YSZ系统的CALPHAD型热力学评估，并且基于文献数据的批判性回顾来构建动力学描述（原子迁移率）。采用DICTRA软件对CGO-YSZ互扩散过程进行了模拟，并将模拟结果与不同烧结条件或长期操作条件下的实验数据进行了比较。基于模拟的浓度分布预测了双层电解质的相应欧姆电阻。结果表明，CGO-YSZ界面的互扩散主要发生在高温烧结过程中，而在较低温度下长期运行时，互扩散对电池退化的影响可以忽略不计。
2019-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Modeling of durability of polyelectrolyte membrane of O2/H2 fuel cell
本文讨论了低温H2/O2燃料电池中聚合物质子交换膜（PEM）降解的机理和特点。本文主要研究了运行中燃料电池中OH自由基产生的化学机理及其分布。根据目前的概念，自由基是由沉淀在膜中的Pt颗粒表面处的氢和氧交叉气体产生的。我们明确计算了Pt的沉淀速率和控制它的膜中的电化学电势分布，基于自由基产生速率和Pt分布，我们利用简单的动力学方程计算了膜的降解速率。
2014-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Holistic Multi-scale Imaging of Oxygen Reduction Reaction Catalyst Degradation in Operational Fuel Cells
低温氢燃料电池系统是氢经济的关键部分，其广泛推广受到铂阴极催化剂劣化的阻碍。在这里，我们提供了一个设备级的分子尺度催化剂降解现象的评估，使用先进的operando X射线散射断层扫描设备规模的成像量身定制。每个电池组件，包括催化剂，碳载体，聚合物电解质和液态水可以同时映射，允许深入的相关分析。在运行的燃料电池内部形成的化学和热梯度产生催化剂纳米结构的高度非均匀降解，这可以与电池材料中的流场和水分布的宏观尺度设计相关联。催化剂降解的显着差异之间观察到操作燃料电池设备和液体电池常规用于催化剂稳定性研究，突出了很少研究，但关键的影响，复杂的操作环境的催化剂降解现象。这种降解知识的差距突出了多模式的真实设备的原位表征的必要性时，评估电催化剂的性能和耐久性。
2020-08-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A high-performance cobalt-free cathode for proton-conducting solid oxide fuel cells via multi-element doping in Sr2Fe2O6
University of South China（南华大学）；S.U. Umarov Physical-Technical Institute of NAST（纳兹尔科学院 S.U. 乌马罗夫物理技术研究所）；Yancheng Institute of Technology（盐城工学院）
本研究通过多元素掺杂制备了高性能无钴阴极材料SFO-ZSSM，显著提升了质子导电SOFCs的性能和稳定性。
2026-03-02 cond-mat.mtrl-sci
Comparing the 3D morphology of solid-oxide fuel cell anodes for different manufacturing processes, annealing times, and operating temperatures
本文基于FIB-SEM三维图像数据，研究退火时间、操作温度及浸渗法与粉末技术两种制造工艺对SOFC阳极三维形貌的影响，并通过全局与局部几何描述符定量表征结构异质性。
2025-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Functional thin films as cathode/electrolyte interlayers: a strategy to enhance the performance and durability of solid oxide fuel cells
诸如固体氧化物燃料电池（SOFC）的电化学装置可以极大地受益于纳米工程化薄膜多功能层的实施，该纳米工程化薄膜多功能层除了提供增强的电化学活性之外，还提供改善的机械和长期稳定性。采用脉冲激光沉积法制备了Sm 0. 2Ce 0. 8 O 1. 9-La 0. 8 Sr 0. 2 MnO 3- $δ$自组装纳米复合材料，并将其作为阳极支撑固体氧化物燃料电池的功能氧电极.在电池结构中引入功能性双层导致用于制造高性能燃料电池（在0.7 V和750 $^\circ$ C下功率密度为1.0 W.cm-2）的简单加工技术。耐久性测试进行了长达1500小时，显示在极端的操作条件下的1 A.cm-2的小降解，而在0.5 A.cm-2的稳定行为。测试后的分析，包括扫描和透射电子显微镜和电化学阻抗谱，表明纳米工程薄膜层保持大部分操作后的形态稳定。
2022-09-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nanostructured La0.5Ba0.5CoO3 as cathode for solid oxide fuel cells
一种简单的方法已被用来合成纳米结构的La0.5Ba0.5CoO3（LBCO）粉末，通过限制化学前体到聚碳酸酯过滤器的孔隙。所提出的方法使我们能够获得由不同尺寸的微晶形成的粉末，它是可扩展的，不涉及使用复杂的沉积技术。研究了对称电池的面积比极化电阻，分析了LBCO纳米结构作为固体氧化物燃料电池阴极的电化学行为。我们表明，性能得到改善，通过减少晶粒的尺寸，获得面积比电阻值为0.2 Wcm 2，在700 C，与新开发的阴极，使用新的沉积技术。
2019-09-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Revealing the Nanostructure of Mesoporous Fuel Cell Catalyst Supports for Durable, High-Power Performance
在低Pt负载下实现高功率性能和耐久性是质子交换膜燃料电池的关键挑战。在新的炭黑载体上开发的PtCo催化剂显示出同时提供良好的氧还原动力学和局部氧传输的前景。我们研究了纳米级形态的作用，这些催化剂的性能支持访问（HSC-e和HSC-f）和传统的（科琴黑）多孔碳使用三维电子断层扫描，氮吸附，和电化学性能测量。我们发现，可访问的多孔碳具有中空的内部与中孔，更大，比传统的多孔碳更多。然而，介孔尺寸的开口（>2nm宽度）太罕见，无法解释显著的氧传输。相反，我们提出进入内部的主要氧运输途径是通过1-2nm的微孔通道渗透碳。在可接近的多孔碳中增加的中孔隙率导致通过支撑壳中的收缩的、曲折的微孔的较短的扩散路径长度，从而导致较低的局部氧传输阻力。在耐久性测试中，可接近的多孔碳显示出更快的电化学表面积损失速率，这可能是由于较少的收缩孔，这将减轻粗化，但在寿命结束时由于改善的局部氧输送而保持优异的高电流密度性能。
2020-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Atomic-resolution spectroscopic imaging of ensembles of nanocatalyst particles across the life of a fuel cell
通过像差校正光学器件实现的数据收集速度的千倍增加使我们能够克服电子显微镜悖论-如何获得单个纳米颗粒中原子分辨率的化学结构，同时记录来自非均匀群体的统计学显著样本。这使我们能够映射数百个Pt-Co纳米颗粒，以显示质子交换膜燃料电池中催化剂老化不同阶段的原子尺度元素分布，并将Pt壳层厚度与处理、颗粒尺寸、表面取向和有序性联系起来。
2011-12-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
3-D Tracking and Visualization of Hundreds of Pt-Co Fuel Cell Nanocatalysts During Electrochemical Aging
我们提出了一种电子断层扫描方法，允许识别数百个电催化剂纳米粒子与一对一的对应之前和之后的电化学老化。这种方法使我们能够跟踪，在三维（3-D），轨迹和形态的每个Pt-Co纳米催化剂上的燃料电池碳支持。使用原子尺度的电子能量损失光谱成像，使催化剂的性能退化与颗粒/颗粒间形态，颗粒-载体相互作用和近表面化学组成的变化的相关性。我们发现，催化剂在正常燃料电池操作条件下的老化（从+0.6 V到+1.0 V的电位扫描30，000次循环）引起纳米颗粒的粗化，主要是通过聚结，这反过来导致性能损失。发现所观察到的聚结事件是在电势循环期间纳米颗粒在碳载体上迁移的结果。这种方法提供了详细的见解如何纳米催化剂降解发生在质子交换膜燃料电池（PEMFC），并建议，最小化的颗粒运动可以潜在地减缓颗粒的粗化，以及相应的性能下降。
2011-12-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Calculation of Elastic Constants of UO$_2$ using the Hubbard-Corrected Density-Functional Theory DFT+U
本文利用Hubbard修正的DFT+U方法计算了UO2单晶弹性常数，并结合Voigt、Reuss和Hill模型评估多晶燃料力学性能，结果与实验高度吻合，为辐照燃料研究提供了可靠方法。
2025-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Temperature-programmed reduction and dispersive X-ray absorption spectroscopy studies of CeO2-based nanopowders for intermediate-temperature Solid-Oxide Fuel Cell anodes
CONICET / Laboratorio de Cristalografía Aplicada, Escuela de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de General San Martín（阿根廷国家科学技术研究委员会/应用晶体学实验室，科学与技术学院，圣马丁国立大学）；Departamento de Física de la Materia Condensada, Gerencia de Investigación y Aplicaciones, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional de Energía Atómica（凝聚态物理系，研究与应用程序管理部，宪法原子中心，阿根廷国家原子能委员会）；Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN), CNEA-CONICET（纳米科学与纳米技术研究所（INN），阿根廷国家原子能委员会-阿根廷国家科学技术研究委员会）；UNIDEF-CONICET-MINDEF, Departamento de Investigaciones en Sólidos, CITEDEF（国防大学-阿根廷国家科学技术研究委员会-国防部，固体研究系，国防工业技术中心）；Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional de General San Martín（环境研究与工程学院，圣马丁国立大学）
研究CeO2基纳米材料的还原性受平均晶粒尺寸和掺杂氧化物的影响，通过X射线粉末衍射、透射电镜和BET比表面面积分析样品，并利用温度程序还原和原位散射X射线吸收光谱技术分析还原性，发现低温处理、晶粒尺寸小和比表面积大的样品性能最佳，且Gd2O3掺杂的氧化物还原性最高。
2019-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Mathematical Model of a Direct Methanol Fuel Cell
建立了直接甲醇燃料电池（DMFC）的一维等温模型。该模型解释了阳极处的多步甲醇氧化反应的动力学。模型中考虑了甲醇的扩散和渗透，并考虑了甲醇渗透引起的氧阴极混合电位。动力学和扩散参数估计通过比较模型的数据从25平方厘米的DMFC。这种半解析模型可以快速求解，因此适合于包含在实时系统级DMFC模拟中。
2020-02-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Modeling of the anode side of a direct methanol fuel cell with analytical solutions
在这项工作中，解析解推导出（任何甲醇氧化反应顺序）的甲醇浓度和质子电流密度的配置文件，假设扩散传质机制，塔菲尔动力学，和快速质子传输在阳极催化剂层的直接甲醇燃料电池。的Thiele模量，允许表达的阳极过电位作为电池电流的函数，动力学和传质参数的表达式被获得。对于高电池电流密度，发现Thiele模量（$ϕ^2$）随电池电流密度二次变化;产生阳极过电位和电池电流密度之间的简单相关性。解析解推导出的催化剂层中的局部甲醇浓度和催化剂层中的局部阳极电流密度的轮廓。在这里提出的模型的假设下，在一般情况下，在催化剂层中的局部甲醇浓度不能表示为在层中的位置的显式函数。尽管如此，这里提出的阳极过电位方程允许推导新的半经验方程。
2010-01-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Three-dimensional printed Yttria-stabilized Zirconia self-supported electrolytes for Solid Oxide Fuel Cell applications
增材制造代表了一场革命，因为它具有近净形状的自由成形制造的独特能力，大大减少了废料和资本成本。这些不公平的优势尤其与先进陶瓷的昂贵和高能耗的制造工艺相关，例如氧化钇稳定的氧化锆，固体氧化物燃料电池应用中的最先进的电解质。在这项研究中，自支撑电解质的氧化钇稳定氧化锆已打印使用立体光刻三维打印机。印刷电解质和完整的电池制造的镧锶锰酸盐和氧化镍-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，分别与阴极和阳极层，电化学表征显示出完整的功能。此外，更复杂的配置的电解质已被打印产生的性能完全基于几何方面的增加。作为补充，已经开发并验证了一个数值模型，作为设计更先进配置的预测工具，这些配置将在未来实现高性能和完全定制的设备
2017-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Manganese oxide nano flakes onto simultaneously activated defective CNTs for the creation of CNTs-graphene supported oxygen reduction composite catalysts applied in air fuel cell
非贵金属氧化物与经济炭材料的合理组合是创造高性能空气电极材料的关键。在稀H $_2$ SO $_4$中，通过取消常规水热处理或添加表面活性剂模板剂，将商品化的碳纳米管（CNTs）与MnO $_4^-$反应，制备了CNTs负载的锰氧化物复合催化剂（CMnCs）。然后将CMnC组装成装备在金属空气燃料电池中的商用空气阴极。碳纳米管表现出结构上的缺陷。在合成过程中，外部CNT壁破裂成石墨烯纳米片，但仍保持部分附着于内部碳管。石墨烯平面的这种暴露表现出额外的氧还原反应性。在碳纳米管表面均匀生长了纳米级的氧化锰薄片（γ-MnOOH）。其沉积密度与KMnO $_4$对CNTs的添加量密切相关。在相同条件下，单独的CMnCs的ORR活性超过了原料CNT和合格的市场催化剂，并且在当前的生产工艺下，CMnCs添加的空气燃料电池能够在100 mA/cm $^2$下输出约15%以上的功率。
2017-11-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Doped graphene/carbon black hybrid catalyst giving enhanced oxygen reduction reaction activity with high resistance to corrosion in proton exchange membrane fuel cells
碳的氮掺杂是通过铂-氮和碳-氮键改善质子交换膜燃料电池催化剂性能和耐久性的重要方法。该研究表明，连接铂和石墨烯/炭黑（石墨烯/炭黑的比例= 2/3）杂化载体材料的对苯基和石墨N作用桥实现了铂纳米颗粒的平均尺寸为（4.88 +/-1.79）nm。在0.60 V时，它使低温氢燃料电池的性能提高到0.934 W cm-2，是商用Pt/C的1.55倍。掺杂还增强了Pt与载体材料之间的相互作用和抗腐蚀性，从而提高了低温氢燃料电池的耐久性，在30k循环的原位加速应力降解试验中，Pt/C的催化剂降解衰减为92 mV，在0.80 A cm-2处的衰减为10 mV，远低于能源部的目标（<30 mV）。同时，Pt/NrEGO2-CB3在1.5A cm-2的碳腐蚀原位加速应力试验中，经过5k次循环后，仍保持初始功率密度的78%，比商业Pt/C的功率密度稳定，加速应力试验后仅保持54%。
2021-11-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Homogenization of a catalyst layer model for periodically distributed pore geometries in PEM fuel cells
我们正式推导出一个有效的催化剂层模型，包括周期性分布的孔几何形状的氧的还原。根据假设，孔完全充满水，周围的壁由附着在电子传导微结构上的催化剂颗粒组成。宏观输运方程建立了一个多尺度的方法，在孔隙水平的微观现象的基础上，作为第一步，对未来的催化剂层设计的优化。
2012-04-30 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.MP
Micro solid oxide fuel cells: a new generation of micro-power sources for portable applications
便携式电子设备已经是我们日常生活中不可或缺的一部分;它们的数量不断增加，对更高性能的需求正在成为研究界的挑战。特别是，一个主要的问题是如何有效地为这些高能耗设备供电，确保长期的电网独立性，高效率，可持续性和廉价的生产。在此背景下，锂离子电池以外的技术正受到越来越多的关注，其中微型固体氧化物燃料电池（μSOFC）的发展尤为突出。特别是，μSOFC提供了高能量密度、高效率，并为使用不同的燃料（例如碳氢化合物）打开了可能性。然而，它的高工作温度通常阻碍了它作为小型便携式设备的应用。然而，最近的进展已经设定了一个全新的较低操作温度范围，即350- 450 ℃，与经典的本体SOFC系统所需的典型> 900 ℃相比。在这项工作中，提出了一个全面的审查的技术状况。主要成就，以及最重要的挑战仍然悬而未决的讨论，关于（一）。电池设计和微制造，以及（ii.）功能电解质与电极材料的集成。最后，强调了广泛部署的技术作为新的便携式电源的不同战略。
2017-12-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Topology-Informed Machine Learning for Efficient Prediction of Solid Oxide Fuel Cell Electrode Polarization
AGH University of Krakow（克拉科夫AGH科技大学）
本文提出基于计算拓扑持久性图像表示的人工神经网络方法，利用500组三维第一性原理模拟数据训练，可快速准确预测固体氧化物燃料电池电极极化曲线。
2024-10-04 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
A new palladium alloy with near-ideal hydrogen storage performance
氢基燃料需要能够在环境温度下运行的高密度存储。钯及其合金是氢燃料电池应用中研究最多的金属载体。本研究提出了一种可在室温下储存和释放氢气的替代储氢钯合金。研究最多的Pd（110）的表面用Au和Rh修饰，使得氢吸附能为0.49 eV，释放温度为365 K。这两个值都非常接近于现实世界中使用的氢燃料电池的吸附能和释放温度的最佳值。
2022-07-12 cond-mat.mtrl-sci
Route to High-Performance Micro-solid Oxide Fuel Cells on Metallic Substrates
基于薄膜的微固体氧化物燃料电池在便携式功率器件中具有很强的应用潜力。然而，基于硅衬底的器件通常涉及在高温下不稳定的薄膜金属电极。基于块体金属衬底的器件克服了这些限制，尽管性能受到在金属上生长最先进的外延材料的挑战的阻碍。在这里，我们首次展示了在商业上供应有外延电解质层（1.5 μ m（Y2 O3）0.15（ZrO 2）0.85（YSZ）+ 50 nm CeO 2）的金属衬底（不锈钢）上外延阴极材料的生长。我们创建外延介孔阴极（La0.60Sr0.40）0.95Co0.20Fe0.80O3（LSCF）的衬底上生长LSCF/MgO垂直排列的纳米复合薄膜，通过脉冲激光沉积，然后选择性地蚀刻出的MgO。为了与文献进行有效的比较，阴极也生长在单晶衬底上，确认了最先进的性能，在500 dC下的面积比电阻为100 ohmegacm 2，活化能低至0.97 eV。这项工作标志着高性能微型固体氧化物燃料电池在便携式电源应用中的商业化迈出了重要一步。
2021-05-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Molecular dynamics simulation of ion dynamics within SPEEK polymer electrolyte of PEM Fuel Cells
本研究通过分子动力学模拟与密度泛函理论，探究PEMFC中质子输运特性，发现无水SEEK电解质结合Pd₃Ag电极可提升质子电导率，为新型低成本PEMFC组件设计提供依据。
2023-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Toward in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy and electrochemical characterization of solid oxide fuel cells
LNLS/CNPEM（巴西国家同步光光源实验室/巴西国家能源与材料研究中心）；CAB（阿根廷科学院）；UNSAM（阿根廷国家科学技术研究委员会）；UNA（巴拉圭国立大学）；USP（圣保罗大学）；UNESP（圣保罗州立大学）；Ilum（伊卢姆公司）；UdelaR（乌拉圭共和国大学）；Unicamp（坎皮纳斯州立大学）
开发与同步辐射兼容的专用实验装置，结合荧光X射线吸收光谱和电化学阻抗谱，在高温和不同气氛下原位表征对称中温固体氧化物燃料电池。
2026-06-23 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Investigation of structural, electrical and electrochemical properties of La0.6Sr0.4Fe0.8Mn0.2O3-δ as an intermediate temperature solid oxide fuel cell cathode
采用溶胶-凝胶法合成了La0.6Sr0.4Fe0.8Mn0.2O3（LSFM）化合物，并将其作为中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的阴极材料。X射线衍射（XRD）分析表明，LSFM具有R-3c空间群对称的菱面体结构。XRD图谱显示在600、700和800 ℃下烧结一周的LSFM和Y2 O3稳定的ZrO 2（YSZ）混合物粉末中存在非常少量的杂质相。LSFM在783 ℃空气中的最大电导率为35.35 S·cm ~（-1）。氧化学扩散系数DChem从1.39*10-6增加到7.66*10- 6.cm 2。在600-800 ℃温度范围内，氧表面交换系数kChem在2.9 × 10 ~（-3）~ 8.7 × 10 ~（-3）cm·s ~（-1）之间。LSFM对称电池在600、650、700、750和800 ℃下的面积比电阻（ASR）分别为7.53、1.53、1.13、0.46和0.31.cm 2，相关激活能Ea约为1.23 eV。
2019-10-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ni coarsening in the three-phase solid oxide fuel cell anode - a phase-field simulation study
氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）固体氧化物燃料电池阳极中镍的粗化被认为是阳极退化的主要原因。我们提出了一个预测，定量建模框架相场方法的基础上，系统地研究在这样的阳极粗化动力学。模拟的初始结构是实验获得的阳极功能层。对接触角的样本尺寸效应和误差分析进行了研究。三相边界（TPB）的长度和Ni表面积的定量确定的基础上的活动，死端，和孤立的相团簇在整个粗化。研究了孔隙的曲折度演化规律。我们发现，具有较大特征长度的相位团簇比具有较小长度尺度的相位团簇演化得慢。因此，粗化对输运的积极影响很小，对活性Ni表面积的影响小于对总对应部分的影响。然而，TPBs，被发现是敏感的局部形态特征，只有间接相关的Ni相的演化动力学。
2012-01-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Water sub-diffusion in membranes for fuel cells
我们调查的动力学的水限制在软离子纳米组件，一个问题的关键是在新材料的多尺度结构-功能相互作用的一般理解。我们特别关注在燃料电池中用作电解质的水合全氟磺酸化合物。这些材料形成相分离的形态，表现出出色的质子传导性能，直接关系到吸收水的状态和动力学。我们结合准弹性中子散射、脉冲场梯度核磁共振和分子动力学计算机模拟，对水的运动和离子输运进行了量化。有效的水和离子的扩散系数已确定连同它们的变化后，在相关的原子，纳米和宏观尺度上的水合作用，提供了一个完整的图片运输。我们表明，在纳米级的限制和直接与带电界面的相互作用产生异常的子扩散，由于在离子纳米通道内的异质空间依赖性动力学。这与疏水限制基质的化学细节无关，证实了我们结论的统计学意义。我们的研究结果表明，有趣的连接和可能性的交叉受精与其他领域，包括生物物理学。他们还建立了富有成效的通信与先进的统计力学的主题，导致新的可能性，分析中子散射数据。
2017-08-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Revealing timescale-dependent oxygen vacancy distributions in solid oxide fuel cell electrodes using frequency-resolved X-ray absorption (FR-XAS)
电化学能量转换材料的开发需要深入了解亚微米长度尺度下控制化学和物理速率的因素。许多工作者已经寻求开发针对这些长度尺度的化学敏感的原位或操作成像技术。然而，目前的方法集中在稳态或逐步响应。为了探测电极过程的空间和时间，我们已经开发了一种频率分辨的实施X射线吸收成像（FR-XAS），可以测量局部电化学反应在operando在全球正弦阻抗测量。频率分辨一维图像的氧空位分布在薄膜SOFC阴极材料（$La_{1-x}Sr_xCoO_{3- δ}$）揭示，第一次实验，与Warburg和Gerischer阻抗的缺陷浓度。这些图像的分析允许直接提取扩散和动力学速率参数，独立于全局阻抗。
2022-03-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
High-entropy perovskites, architectured by s0/d0/d10 cations, as novel electrolytes for solid oxide fuel cells
WPI, International Institute for Carbon Neutral Energy Research (WPI-I2CNER), Kyushu University（九州大学）；Department of Automotive Science, Graduate School of Integrated Frontier Sciences, Kyushu University（九州大学）；Graduate School of Engineering, Kyushu University（九州大学）；Center for Energy System Design (CESD), International Institute for Carbon Neutral Energy Research (WPI-I2CNER), Kyushu University（九州大学）
研究引入三种高熵氧化物钙钛矿作固体氧化物燃料电池新型电解质材料，经特定烧结方法合成并用于电池制作。具有s0/d0/d10阳离子的材料性能最佳，证明此类高熵钙钛矿对质子固体氧化物燃料电池的重要性。
2026-07-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Boron-Doped Graphene As Active Electrocatalyst For Oxygen Reduction Reaction At A Fuel-Cell Cathode
据报道，硼掺杂的石墨烯是用于在0.035 V的起始电位下工作的氧还原反应（ORR）的最佳非金属掺杂的石墨烯电催化剂[JACS 136（2014）4394]。在本DFT研究中，沿着可能的反应途径的中间体和过渡结构被确定。讨论了Langmuir-Hinschelwood和Eley-Rideal机理。分子氧结合带正电荷的B原子并形成开放壳端对双氧中间体。相对于解离路径，关联路径更受青睐。采用Nørskov和co. [JPC B 108（2004）17886]的方法，在酸性和碱性条件下研究了四个还原步骤的自由能图。根据Pourbaix图分析了pH对还原中间体稳定性的影响。在pH = 14时，我们计算出U = 0.05 V的电化学ORR的起始电位值，这与碱性条件下的实验值非常吻合。
2016-07-27 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Nanoscale study of reactive transport in catalyst layer of proton exchange membrane fuel cells with precious and non-precious catalysts using lattice Boltzmann method
采用四重结构生成集重构方法，对质子交换膜燃料电池中多组分催化剂层（CL）的高分辨率多孔结构进行了重构。实现了纳米结构的表征分析，包括孔径分布、比表面积和相连通性。发展了基于格子玻尔兹曼方法的孔隙尺度模拟方法，并用于预测宏观输运性质，包括有效扩散率和质子电导率。离聚物在CL中的不均匀分布使反应物的传输路径更加曲折，大大降低了有效扩散系数。CL的弯曲度远高于传统的Bruggeman方程。努森扩散在氧扩散中起重要作用，并显著降低有效扩散率。CL内的反应性运输也进行了研究。虽然非贵金属催化剂（NPMC）CL的反应表面积远高于Pt CL的反应表面积，但与Pt CL相比，NPMC CL中的氧反应速率相当低，这是由于NPMC CL中的氧反应速率低得多。NPMC CL中的微孔（几纳米）虽然可以增加反应位点，但对增强传质贡献不大。需要中孔（几十纳米）或大孔来增加传质速率。
2014-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.flu-dyn
Informatics-Driven Selection of Polymers for Fuel-Cell Applications
现代燃料电池技术使用Nafion作为质子交换膜（PEM）的选择材料和粘合材料（离聚物），用于组装阳极和阴极的催化剂层。这些应用需要高质子传导性以及其他要求。例如，PEM预期阻止电子、氧和氢渗透和扩散，而阳极/阴极离聚物应允许氢/氧容易地移动，使得它们可以到达催化剂纳米颗粒。鉴于Nafion的一些众所周知的限制，例如低玻璃化转变温度，社区正在积极寻找Nafion的替代品。在这项工作中，我们提出了一个基于信息学的方案来搜索大型聚合物化学空间，其中包括建立目标应用所需的属性列表，为这些属性开发预测机器学习模型，定义搜索空间，并使用开发的模型来筛选搜索空间。使用该方案，我们已经确定了60种用于PEM、阳极离聚物和阴极离聚物的新聚合物候选物，我们希望这些聚合物将被推进到下一步，即，通过综合和测试验证设计。所提出的信息学方案是通用的，并且可以用于选择聚合物用于未来的多种应用。
2022-12-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Using a dual plasma process to produce cobalt--polypyrrole catalysts for the oxygen reduction reaction in fuel cells -- part I: characterisation of the catalytic activity and surface structure
介绍了一种新的双等离子体涂层工艺，用于制备燃料电池中氧还原反应的无铂催化剂。用各种方法分析由此产生的催化剂。通过循环伏安法、旋转环电极和旋转环盘电极进行电化学表征。由此获得的不同的催化剂的表面孔隙率的特征在于与氮气吸附技术和扫描电子显微镜用于确定膜的生长机制。它表明，催化活性化合物可以用这种双等离子体工艺生产。此外，催化活性可以通过改变等离子体工艺参数而显著变化。计算了生成的H $_2$ O $_2$的量，并表明2电子机理是主要的。等离子体涂覆机制不会显著改变所用碳载体的表面BET面积和孔径分布。此外，所产生的薄膜的扫描电子显微镜照片，并示出的柱状生长机制的偏好。通过使用不同的碳作为载体，它表明，有很强的依赖性的催化活性，这可能是有关的碳的化学性质。
2012-08-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.plasm-ph
Using a dual plasma process to produce cobalt--polypyrrole catalysts for the oxygen reduction reaction in fuel cells -- part II: analysing the chemical structure of the films
用X射线光电子能谱学（XPS）、近边X射线吸收谱（NEXAFS）、X射线衍射（XRD）、能量色散X射线能谱（EDX）和扩展X射线吸收谱（EXAFS）等方法分析了双等离子体法制备的钴-聚吡咯的化学结构。具有钴的低温晶体结构的纳米存在于化合物内。此外，还观察到钴-氮和碳-氧结构。此外，当增加磁控管功率时，产生越来越多的钴-氮结构。将化学结构的信息与薄膜催化活性的结果联系起来-这在本文的第一部分中介绍-得出结论，钴-氮结构是可能的催化活性位点。计算得到钴-氮键长为2.09\，π，碳-氮键长为1.38\，π。
2012-09-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.plasm-ph
