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
A nonlinear phase-field model of corrosion with charging kinetics of electric double layer
本文开发了一种非线性相场模型，通过耦合电双层充电动力学与介观传输来模拟腐蚀损伤，经验证能准确重现点蚀动力学和瞬态电流密度响应，并揭示了EDL特性对离子传输的显著影响。
2024-08-27 cs.CE physics.app-ph physics.chem-ph
The Autohumidification Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
一个PEM燃料电池是专门建造的，以确定在良好定义的气相组成和电池温度的条件下的动力学。在自增湿PEM燃料电池中发现了稳态多重性，这是由水产生和水去除之间的平衡引起的。在PEM燃料电池中观察到点火，临界水活度约为0.1。点火是质子传导率随水活度呈指数增加的结果，这在水的产生和质子传导之间产生自催化反馈。点燃状态下的稳态电流随着温度在50至105摄氏度之间的升高而降低。在高于70摄氏度的温度下，在PEM燃料电池中观察到五个稳态。稳态性能已经遵循可变负载电阻和磁滞回线已被映射。稳态之间的动态转换大约慢10^3到10^4秒。这些缓慢的动力学被认为是由膜电极组件的机械和化学性质的耦合导致的，由于膜的溶胀与水的吸收。
2003-06-16 physics.chem-ph
Fabrication of condense and thin YSZ electrolyte layer using novel thermal-assisted slurry spin coating method for IT-SOFC
介绍了一种简单的旋涂法在NiO-YSZ阳极基底上制备用于固体氧化物燃料电池的YSZ电解质层。在浆料旋涂工艺期间加热基板增强了穿过层的受影响区域，并导致在烧结程序之前优化涂覆的电解质颗粒的压实量。在该双层基底的顶部上，LCFN被沉积为中温固体氧化物燃料电池阴极，以便在中温范围内具有合适的输出性能。以增湿氢气为燃料，空气为氧化剂，电池性能表征显示所制备的样品具有更高的功率输出。单电池的电化学阻抗谱测量也表明界面电阻和欧姆电阻都降低了。这些结果与扫描电子显微镜显微照片一起揭示了通过所建议的方法涂覆的YSZ层的密度优于通常的浆料旋涂方法。
2021-05-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
INTERFACE Force Field for Alumina with Validated Bulk Phases and a pH-Resolved Surface Model Database for Aqueous, Electrolyte, and Molecular Interfaces
University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；BASF SE（巴斯夫股份公司）；BASF Coatings GmbH（巴斯夫涂料有限公司）；Chemetall GmbH（切梅塔尔有限公司）
本文提出了一种统一的INTERFACE力场，结合pH解析表面模型数据库，实现了对氧化铝相在不同pH条件下的高精度模拟，提高了固态电解质界面模拟的可靠性与效率。
2026-11-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Decorative coating or corrosion product? TEM and SEM Study on a Late Neolithic Axe to find origins of silver metal on the surface
本研究结合SEM、TEM与FIB及铜-银复制品腐蚀实验，证明新石器时代晚期铜斧表面的银富集源于腐蚀导致的铜选择性溶解，而非人工装饰涂层。
2023-08-21 physics.chem-ph
Performance and Degradation of A Lithium-Bromine Rechargeable Fuel Cell Using Highly Concentrated Catholytes
锂空气电池被认为是远程电气化运输电源的最终解决方案，但最先进的原型仍然存在循环寿命短，效率低和功率输出差的问题。在这里，锂-溴可再充电燃料电池使用高浓度的溴阴极电解质被证明具有可比的比能量，改善的功率密度，和更高的效率。该电池在结构上类似于混合电解质Li-空气电池，其中非水电解质中的锂金属阳极通过锂离子传导陶瓷板与含水溴阴极电解质分开。具有扁平石墨电极的电池可以在约9 mW cm-2的峰值功率密度下放电，并且原则上可以提供791.8Wh kg-1的比能量，优于大多数现有的阴极材料和阴极电解液。它还可以在再生模式下运行，以80-90%的电压效率回收锂金属阳极和游离溴，无需任何催化剂。在深度充电期间，固体电解质的降解和溴的蒸发是在改进的设计中应该解决的挑战，以充分利用液体溴的高比能。拟议的系统为远程电动汽车提供了一个潜在的电源，超越了目前的锂离子电池，但接近设想的锂空气电池。
2016-03-23 physics.chem-ph
The model of stress distribution in polymer electrolyte membrane
建立了一个氢/空气燃料电池多孔水传输板（WTP）聚合物电解质膜（PEM）中机械应力的解析模型。该模型认为膜中的机械应力是恒定氧利用率下电池负载循环的结果。负载循环导致入口气体流速的循环，这导致膜水合/脱水靠近气体入口。膜的水合/脱水导致膜溶胀/收缩，这在受约束的膜中引起机械应力。机械应力导致贯穿平面裂纹的形成。因此，膜中的机械应力导致膜的机械故障，限制了燃料电池的寿命。该模型预测膜中的应力作为细胞几何形状、膜材料性质和操作条件的函数。将该模型应用于GORE-SELECT中的应力计算。
2014-01-17 cond-mat.soft physics.chem-ph
Carbon nanofibers, precious commodities from sunlight & CO2 to ameliorate global warming, and supplement: Carbon nanofibers (from fossil fuel) Electric Power Plants
本研究介绍了高产量，电解合成碳纳米纤维，CNFs，直接从二氧化碳。从大气二氧化碳中生产CNF等珍贵商品为限制这种温室气体和减缓气候变化速度提供了动力。在熔融电解质中使用廉价的镍和钢电极以高速率形成CNF。该过程被证明是一个按比例放大的独立电解池，也显示出与STEP，太阳能热电化学过程兼容，使用高太阳能电效率的集中太阳光提供热量和电能来驱动CNF生产。在补充部分，介绍了天然气和燃煤发电厂的运行模式，这些模式从废气中去除温室气体二氧化碳并将其转化为碳排放产品。
2015-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Temperature effects on the ionic conductivity in concentrated alkaline electrolyte solutions
碱性电解质溶液是可再充电电池和碱性燃料电池中的重要组分。由于离子电导率被认为是这些器件性能的限制因素，这些器件通常在升高的温度下操作，因此其温度依赖性是非常重要的。在这里，我们使用NaOH作为碱性电解质的一个典型例子，并为这个系统，我们已经进行了反应分子动力学模拟与实验验证的高维神经网络潜力来自密度泛函理论计算。结果发现，在浓NaOH溶液中，升高的温度提高了质子转移对离子电导率的贡献和能斯特-爱因斯坦关系的偏差。预计这些发现对于基于碱性电解质溶液的电化学装置具有实际意义。
2019-12-02 cond-mat.soft physics.chem-ph
Water-Superstructured Solid Fuel Cells
质子陶瓷燃料电池可以在低温下运行，但它们依赖于固体电解质中的体离子转移的性能通常受到低于600 ℃的远低于0.1 S/cm的质子电导率的限制。本文报道了一种使Al 2 O3绝缘体成为质子超导体的策略，即在多孔Al 2 O3层中原位生成超结构水，实现了前所未有的水介导的质子在Al 2 O3表面的转移，在550 °C下获得了0.13 S/cm的质子电导率。利用这种水超结构质子超导体，我们制造了水超结构固体燃料电池，在550 °C下用H2燃料实现了1036 mW/cm 2的非常高的功率密度和高于1.1 V的高开路电压。这为质子超导体和固体燃料电池的发展提供了一条通用途径。
2021-10-28 physics.chem-ph
PEMNET: A Transfer Learning-based Modeling Approach of High-Temperature Polymer Electrolyte Membrane Electrochemical Systems
Louisiana State University（路易斯安那州立大学）
高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFC）和HT-PEM电化学氢泵（HT-PEM ECHP）的广泛采用需要提供精确放大和优化的模型和计算工具。基于知识的建模具有局限性，因为它是耗时的，并且需要关于系统的信息并不总是可用的（例如，材料特性和不同材料之间的界面行为）。另一方面，数据驱动的建模更容易实现，但通常需要很大的数据集，而这些数据集可能很难获得。在这方面的贡献，基于知识的建模和数据驱动的建模是唯一的结合，通过实施一个少样本学习（FSL）的方法。最初为HT-PEMFC开发的基于知识的模型用于生成模拟数据（887，735个点），并用于预训练神经网络源模型。此外，为HT-PEMFC开发的源模型成功地应用于HT-PEM ECHP-一种不同的电化学系统，其利用与燃料电池相似的材料。使用来自具有不同材料和操作条件的HT-PEMFC和HT-PEM ECHP的实验数据集（每个约50个点）通过FSL训练8个目标模型。在所有情况下，未知数据的模型都达到了很高的准确度（HT-PEMCs的rRMSE在1.04和3.73%之间，HT-PEM ECHP在6.38和8.46%之间）。
2021-05-24 cs.LG physics.chem-ph
Contribution of the oxygen reduction reaction to the electrochemical cathodic partial reaction for Mg-Al-Ca solid solutions
镁及镁合金的电化学腐蚀速率取决于所形成的表面层的稳定性。基于Mg基底，氧化物结构包括多孔板状Mg（OH）2层下方的致密MgO/Mg（OH）2混合物。虽然阳极部分反应的动力学主要归因于MgO，但最近的研究表明Mg（OH）2层厚度对阴极部分反应的影响。较薄的Mg（OH）2层与较高的氧还原速率动力学相关。在本研究中，提出的机制已被进一步研究，通过原位呼吸测量与Mg-Al-Ca固溶体在不同pH值的电解质（pH = 8-13）。结果表明，在镁腐蚀的钝化状态的表面层的结构的基础上的附加效果。此外，两个不同的富铝中间层在Mg/MgO-和MgO/Mg（OH）2界面观察和讨论的热力学稳定性在碱性浸渍条件下。
2023-03-16 physics.chem-ph
The Dynamics of Platinum Precipitation in an Ion Exchange Membrane
在燃料电池条件下运行的聚合物电解质膜的显微镜检查已经揭示了膜中明确限定的铂带。在这里，我们提出了一个物理为基础的模型，捕捉铂沉淀在聚合物电解质膜的机制。虽然在整个膜中观察到铂，但铂在铂带处的优先生长取决于膜中的电化学电势分布。在本文中，铂带的位置计算作为在阴极和阳极的气体浓度，气体扩散系数和溶解度常数的膜中，这是相对湿度的函数的气体的浓度的函数。在H2/N2条件下，铂带位于阴极-膜界面附近，随着阴极气流中的氧浓度增加和/或阳极气流中的氢浓度降低，铂带朝向阳极移动。本文建立的模型与铂带位置、铂颗粒分布和尺寸的实验数据一致。
2013-06-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Durability of solid oxide electrolysis stack under dynamic load cycling for syngas production
在H2O + CO2共电解条件下测试6单元固体氧化物电解堆。电池组中使用的电池由镍-氧化钇稳定的氧化锆（Ni-YSZ）燃料电极，YSZ电解质和镧锶钴酸盐-钆掺杂的氧化铈（LSC-GDC）复合氧电极组成。本研究的目的是研究在模拟风能驱动的SOEC电堆用于合成气生产的动态负载条件下运行时的电堆耐久性。在1000小时操作期间，观察到电池组的劣化在面积比电阻方面小于1%/1000小时。详细的电化学分析揭示了恒定的欧姆电阻，表明在堆栈中的完整接触。仅观察到轻微的降解，主要是由于燃料电极过程。电池组整体电压下降率为0.8%/1000 h。
2020-02-06 physics.chem-ph
Laser-induced periodic surface structured electrodes with a 45 % energy saving in electrochemical fuel generation through field localization
自由基的电化学氧化还原是一种绿色环保的燃料生产方法。然而，这些反应由于电催化剂周围的低局部自由基浓度而遭受缓慢的动力学。大的电极电势可以通过提高电催化剂位点周围的自由基浓度来提高燃料产生效率，但这是以电力为代价的。在这里，我们报告了约45%的能量节省，以实现每平方厘米10毫安的电化学制氢速率，通过局部电场诱导增强的试剂浓度（LEFIRC）在激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）电极。利用有限元模型模拟了电场的空间分布，以了解LIPSS几何参数对电场局部化的影响。当LIPSS图案化电极被用作基底以支撑Pt-C和RuO 2电催化剂时，HER和OER的过电位分别降低了40%和25%。此外，LIPSS图案化电极在显著降低的能量下操作的能力也在包括碱性、酸性、中性和海水的一系列电解质中得到证明。重要的是，当将两个LIPSS图案化电极作为阳极和阴极组装到电池中时，其需要330 mVs的较低电势，与由原始电极制成的类似电池相比具有增强的稳定性，以驱动10 mA/cm 2的电流密度。这项工作展示了电极表面图案化的物理和通用方法，以提高电催化燃料产生性能，并可应用于任何金属和半导体催化剂的电化学反应范围。
2021-12-13 physics.chem-ph
Pt-based nanowire networks with enhanced oxygen-reduction activity
通过对共溅射Pt-Al或Pt-Y-Al薄膜进行去合金化处理，在氧化钇稳定的氧化锆电解液上制备了Pt-Al和Pt-Y-Al薄膜电极。Al从Pt合金化合物中的选择性溶解导致形成具有低于25 nm的平均分支厚度和低于35 nm的孔截距长度的高度多孔的纳米线网络。在高温（598-873 K）下，在微型固体氧化物燃料电池装置中分析了所得电极的氧还原能力。在这里，我们证明了这些纳米多孔薄膜在催化活性和热稳定性方面优于“最先进的”燃料电池电极。在648 K下测量，纳米多孔Pt电极表现出比常规Pt电极高13倍的交换电流密度。它示出，这些Pt电极的增强的催化活性是通过由于添加钇作为三元组分的材料d-带的工程实现的。
2014-07-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Valorization of biodigestor plant waste in electrodes for supercapacitors and microbial fuel cells
这项研究旨在证明，厌氧生物消化厂的废物可以有效地作为功能材料，用于实现高效能源管理和水处理的技术，从而同时解决水-能源-废物关系的挑战。木质素是沼气厂的主要固体废弃物，采用温和的活化剂KHCO 3将木质素活化成活性生物炭，用于超级电容器电极和微生物燃料电池。此外，作为生物消化器工厂的液体流出物的相同污泥已被用作MFC的接种物和电解质。在木质素/KHCO 3质量比为1：0.5（LAC-0.5）和1：2（LAC-2）下获得的木质素衍生的碳由中孔和微孔组成，分别显示出1558 m2/g和1879 m2/g的BET。相对于LAC-0.5，LAC-2碳在2.5 M KNO 3中表现出114 F/g的优异比电容。构建了具有LAC-2电极的超级电容器，其分别显示高达10 Wh/kg和6.9 kW/kg的比能量比功率。耐久性测试表明，该器件能够在15，000次充放电循环后保持84.5%的电容保持率。还研究了木质素衍生的碳在中性介质中作为ORR的电催化剂。LAC-2比LAC-0.5具有更高的ORR电催化活性。木质素衍生的多孔碳的互连的多孔网络和高表面积使得木质素衍生的多孔碳适合用于双重应用的电极材料。还报道了将LAC 2碳引入空气呼吸阴极用于MFC应用的可行性。
2021-11-02 physics.chem-ph
Fractal flow patterns in hydrophobic microfluidic pore networks: experimental modeling of two-phase flow in porous electrodes
在模拟燃料电池特定多孔介质的疏水微孔网络中观察到实验性两相侵入渗流模式。为了模拟聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）多孔电极的操作条件，制备了具有相应微通道尺寸分布的微孔网络。入口通道以对应于1.0至0.1 A/cm 2（Ca 10 e-7- 10 e-8）的燃料电池电流密度的流速均匀地侵入。观察和分析了各种分形突破模式，以量化总饱和度，St，局部饱和度，s和分形维数，D方面的洪水密度和几何多样性。结果发现，在侵入过程中，St单调增加，直到达到突破点，和s的配置文件指示的过程中的液相的动态分布。分形分析证实，实验属于侵入渗流与捕获的流动状态。在这项工作中，我们建议相关的分形维数，D，总饱和度，并使用此图作为一个参数，用于模拟液态水在GDL传输。
2009-09-03 physics.chem-ph physics.flu-dyn
A Microfluidic Pore Network Approach to Investigate Water Transport in Fuel Cell Porous Transport Layers
孔隙网络模型传统上用于研究与地质流动有关的理想化多孔介质中的驱替过程，其应用范围从地下水水文学到提高石油采收率。最近，孔隙网络建模已被应用于聚合物电解质膜（PEM）燃料电池的气体扩散层（GDL）的建模。离散孔隙网络模型有可能阐明运输现象的GDL与高计算效率，连续或分子动力学建模，需要大量的计算资源。然而，在研究GDL与孔隙网络建模的挑战在于定义网络参数，准确地描述多孔介质以及流体入侵的条件，代表现实的运输过程。在这项工作中，我们讨论了第一阶段的开发和验证GDL代表孔隙网络模型。我们开始与一个二维的孔隙网络模型与一个单一的流动相入侵的疏水介质，其中缓慢的毛细管为主的流动过程如下入侵渗滤。孔网络的几何形状的设计，和透明的疏水微流体网络制造的硅弹性体PDMS使用软光刻技术。这些微流体网络被设计成具有典型GDL材料的通道尺寸分布和润湿性。数值和实验流动模式之间的比较显示出合理的协议。此外，分形维数和饱和度在入侵期间测量，揭示不同的操作制度，可以应用于GDL操作。还将讨论今后的模型开发工作。
2008-04-14 physics.chem-ph physics.flu-dyn
