《燃料电池交换膜上钽膜和铪膜的效率测定》

图1 (a)蛇形流型 (b)生物激发流型

蛇形通道只有一个通道，需要排出剩余的水和杂质。然而，流体必须行进很长的距离，导致流动入口和出口之间的压力损失，在气体扩散层(GDL)中产生不均匀的分布。受生物启发的模式寻求在不产生比蛇形模式更高的压力损失的情况下提高能量效率。

图2显示了沉积在Nafion复合膜上的HfC和TaC涂层的X射线衍射表征结果。如今，涂层被制成薄弱层，但它保持了它们的特性。XRD获得了HfC和TaC涂层的晶体结构，图-2(a)和图-2(b)分别显示了X射线图，图-2(a)中所示的HfC涂层的晶体结构显示了HfC的存在，在33.571处具有一致性，在70.25处具有晶面(111)，在(222)处具有立方结构和取向。图2(b)显示了TaC样品的衍射图。根据晶面(111)、(022)和(113)，分别在40.48四方相(020)和34.87、59.01和69.33立方结构处鉴定了晶相。

图2 (a)HfC和(b) TaC薄膜的X射线衍射图

通过原子力显微镜获得的显微照片在图3(a)和图3(b)中观察到，图3(a)和图3(b)显示了碳化铪样品的表面表征，其中表征的表面显示了地形不均匀性。

关于对应于碳化钽的显微照片，获得了30.3 nm的值，它是更光滑的表面，并且该区域允许指示能量分布是均匀的。就表面而言，TaC涂层表现出最简单的响应，因为这是一种更强的结合。

图3 (a)HfC和(b) TaC涂层的原子力显微镜图像

在图4中，显示了奈奎斯特图。对于HfC和TaC薄膜为薄膜形式的电池，观察到四个电阻和三个恒相元件，这些参数由图-5中的等效电路计算得出。每个元素的值详见表1。Rp是细胞中存在的离子浓度。其值较低，因为评估温度为25℃。R1与质子膜和板的电阻有关。R2与阳极的负载转移电阻有关，涉及氢的转移电阻或氧化反应。R3与阴极的负载转移电阻有关，在阴极进行氧还原。

 图4 HfC和TaC涂层的奈奎斯特图

基于碳化物的制氢阴极效率是通过等效电路参数获得的，因此确定TaC比HfC产生更高的性能。这些结果是通过将电池连接到气体流量上获得的，因此膜具有永久的离子通道，并产生水合过程。

图5 等效电路

表1 HfC和TaC涂层等效电路元件的参数值

模拟计算机模型提供了电流密度分布、整个流道中的流体分布以及蛇形模式和生物吸气流的压力下降，并改变了Nafion、HfC和TaC之间的电解质。流体(图6和图7a)和压降(图6和图7b)在两种提出的模式之间变化，但是没有显示出随电解质变化的显著变化。

图6 蛇形结构的结果(a)流体在流动通道中的分布，(b)压力损失

主要的改进是通过改变膜来获得的，在膜中保持压降，但是对于两种流动模式，电流密度都有相当大的增加。碳化铪的压力损失保持不变，但蛇形和生物激发模式的电流密度分别提高了10.9%和10.6%。图9(b)显示电流增加了7.8%密度比蛇形图案大。如图10所示，TaC是性能最好的电解质，蛇纹石的能量效率提高了15.4%，生物激发模式提高了15.3%。

图7 生物启发模式 (a)流体在流动通道中的分布，(b)压力损失

图8 使用Nafion作为电解质的电流密度、蛇纹石、生物启发模式

图9 以HfC为电解质的电流密度、蛇纹石

生物激发模式总的来说，生物激发模式和新的膜材料反映了燃料电池能效的显著提高。可以对生物激发流进行一些修改，以减少压力损失，包括平行路径，以实现更均匀的分布。图11提供了从模拟中获得的数据的可视化。

图10 以TaC为电解质的电流密度、蛇纹石、生物启发模式

 图11 不同燃料电池配置中的电流密度