PEMFC金属双极板及其表面改性

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中重要的多功能(如分隔反应气体、集流导电等)组件之一,它不仅占整个电池组重量的70%—80%和几乎全部体积,而且在电池组的生产成本中也占据相当大的比例。石墨因良好的化学稳定性和导电性而被广泛地用作双极板材料,但成本高及脆性大阻碍了其制作低体积燃料电池和广泛市场应用。金属是具有较高的强度、导热性和气密性的良导体。同时,金属相对更易于机加工成薄板以生产低成本和低体积的PEMFC电池组。因此,金属成为有力的代替者。本文详细评述了不锈钢、钛、铝及其合金以及镍基合金双极板的耐蚀性和接触电阻,并分析了采用表面改性方法制备的具有金属基涂层和碳基涂层的双极板性能的最新研究进展,在此基础上明确了采用金属双极板存在的问题以及其表面改性方面的发展方向。     

质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一,其质量的好坏直接决定电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短.金属双极板因具有优异的力学性能和导电性能,成为当前PEMFC双极板研究中关注的焦点.但是,纯金属双极板在质子交换膜燃料电池环境中易受腐蚀,金属板腐蚀后,释放出可能毒害催化剂的金属离子,或形成可增加界面接触电阻的致密氧化膜,影响燃料电池的输出功率和使用寿命,对金属双极板进行表面改性可以有效解决上述问题.本文首先概述了双极板的种类、优缺点;然后,系统总结了金属双极板表面改性涂层的制备方法、性能与最新研究进展,主要涉及金属基涂层、碳基涂层和导电聚合物涂层;最后分析了改性涂层国产商业化面临的挑战及国内外产业化现状,从成本和寿命出发展望了金属双极板表面改性的发展方向.     

镀银-石墨涂层316L不锈钢双极板的电化学性能测试及表征

316L不锈钢以其质轻,价廉,易加工成型以及良好的导电导热性能而成为极具潜力的质子交换膜燃料电池双极板材料,但其在电池运行环境中仍有一定缺陷.在阴极条件下不锈钢板易钝化,增加了与碳纸扩散层间的界面接触电阻;而在阳极条件下,则由于金属离子的溶解,污染了膜电极,引起催化剂中毒,从而降低电池输出功率,影响电池性能.本文采用喷涂技术在316L不锈钢表面制备导电石墨涂层,测得其与Toray060碳纸的接触电阻为80.6mΩ·cm2.如果在制备石墨涂层前预镀薄层银,则可使其接触电阻降至19.8mΩ·cm2.因此,本文利用Tafel曲线、恒电位氧化等电化学方法,对该镀银-石墨涂层316L不锈钢与原316L不锈钢和镀银316L不锈钢在模拟质子交换膜燃料电池阴、阳极工作环境条件下的耐腐蚀性能进行了研究.结果表明,镀银不锈钢和镀银-石墨涂层不锈钢较原不锈钢的腐蚀电位分别提高了0.49和0.35V,腐蚀电流密度下降1-2个数量级,维持在10-6-10-7A·cm-2.而镀薄银钢板则因为银层较薄存在微孔,使得部分不锈钢基体外露,形成腐蚀电池而更易于腐蚀.     

燃料电池复合石墨双极板基材的研究进展：材料、结构与性能

双极板是燃料电池的重要组成部件,需要满足导电、抗弯强度、耐腐蚀等方面性能的要求。复合石墨双极板具有成本低、耐腐蚀性好、易成型等优势,是双极板的一个重要研究方向。复合石墨双极板的导电功能是由以石墨为代表的导电填料相互连接形成传导网络实现的,抗弯强度及气密等性能则主要依靠树脂固化形成的基体。因此,复合石墨双极板性能不仅受到导电填料以及树脂性能的影响,同时导电填料、树脂固化形成的结构对于极板性能也有着不可忽视的影响。本文总结了导电填料及树脂的性质、改性方法等对于复合石墨极板性能的影响,并分析了分子结构以及制备工艺对于极板结构以及实用性能的影响规律。导电填料与树脂的相容性受到原料表面官能团的影响,并直接影响了导电填料的离散均匀度以及导电填料/树脂的界面性能。通过填料诱导工艺优化导电网络,能够有效提升极板的导电性能。基于对研究现状的总结,本文对复合石墨极板开发的未来发展方向进行了展望。     

NiO-YSZ-石墨水系浆料的研制及其在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用

Ni-YSZ(钇稳定氧化锆)金属陶瓷普遍被用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极材料,其氧化物浆料的性质对湿法制备的SOFC的性能具有重要影响. 通过zeta 电位分析,研究了NiO-YSZ双分散相水系浆料的稳定性. 对六种分散剂作用于NiO、YSZ 表面的zeta 电位进行研究,发现采用的阴离子分散剂和两性分散剂使NiO 和YSZ在水中带有相反电荷而引起迅速絮凝; 采用阳离子分散剂聚二烯二甲基氯化铵(PDAC)时,NiO 和YSZ因带有正电荷相互排斥而稳定分散于水中,在此基础上,加入作为SOFC阳极造孔剂的石墨,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为石墨的分散剂,制备出了NiO-YSZ-石墨的稳定水系浆料. 采用此浆料通过注浆成型制得阳极支撑管,进而组装成SOFC单电池. 该单电池在800℃时最大功率密度达到509 mW·cm^-2; 扫描电镜(SEM)分析表明电极与电解质间接触良好,阳极孔洞分布均匀.     

通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶（英文）

燃料电池的正极主要发生氧还原反应(ORR),但是该反应的动力学速率较慢,需要催化剂来降低反应的过电势.目前商用的催化剂是碳载铂纳米粒子催化剂,但是铂高昂的价格严重阻碍了燃料电池的大规模商业化.近年来的理论和实验研究表明,过渡金属(M)与铂(Pt)形成的纳米晶合金(MPt)能够作为有效的ORR催化剂,同时由于引入价格低廉的过渡金属,催化剂成本有所降低.然而,即使合金化的催化剂具有良好的初始催化性能,但是在燃料电池的实际操作环境,即高电压、高温和酸性条件,长时间运行之后,过渡金属很容易被腐蚀流失,从而留下表面配位数较低的铂原子,而这些铂原子对ORR反应几乎没有催化作用,导致催化剂逐渐失活,燃料电池的输出功率逐渐降低.最近一些研究表明,铂基催化剂在一定条件下,例如加热,能够发生固态相变,形成结构有序的即金属间纳米晶(iNCs).与无序排列的合金相比,这种有序的MPt能够调控表面铂原子与含氧中间体的结合能,可以进一步提高ORR活性;同时,由于在金属间纳米晶中铂原子与过渡金属原子具有很强的相互作用,过渡金属在酸性溶液中也不容易被腐蚀,从而大大提高了催化剂的稳定性.本综述以FePt,CoPt和PbPt为例,总结了它们的相变规律和条件,同时关注它们的合成-结构-性能的构效关系,突出金属间结构在提高活性和稳定性方面的优势.最后,为了进一步提高MPt金属间纳米晶的活性,我们提出一些可能的方向和观点,包括:(1)在实现无序-相变的同时实现形貌调控来提高催化剂活性;(2)关注尺寸效应,尽可能减小MPt金属间纳米晶的尺寸,提高铂的利用率,从而提高催化剂活性;(3)关注材料的有序程度,尽可能提高材料的有序度,充分发挥金属间纳米晶对于氧还原反应的优势     

电弧放电法制备大面积高纯单壁碳纳米管薄膜

介绍了一种制备大面积高纯度单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜的新方法. 利用改进的电弧放电法, 在真空放电室内分别安装两枚石墨极板, 使之形成一个球冠型电容器. 使用这种新型装置, 可以在两枚球冠型石墨极板之间产生一个合适的附加电场和成膜基板, 通过控制放电时间, 可在阴极的球冠型石墨极板上制备出厚度从数微米至1毫米不等的SWCNT薄膜. 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱和热重分析(TGA)的表征结果表明, 这个方法可以高效地制备具有高纯度的SWCNT薄膜.     

预嵌锂用穿孔集流体对锂离子电容器电化学性能的影响

将石墨涂覆于传统铜箔(CCC)与穿孔铜箔(PCC)集流体表面,通过内部短路的方式进行预嵌锂处理,再以商业化的活性炭及预锂化的石墨分别为正、负极材料组装成锂离子电容器(LIC)。以PCC为集流体的LIC在0.1和2.0 A?g~(-1)的电流密度下,能量密度分别为118.2和51.7 Wh?kg~(-1),并且在0.5 A?g~(-1)的电流密度下循环1000次后的能量密度保持率为90%;以CCC为集流体的LIC在0.1和2.0 A?g~(-1)的电流密度下的能量密度分别为125.5和43.3 Wh?kg~(-1),在同等电流密度下2.0-3.8 V之间循环1000次后的能量密度保持率仅为73.2%。进一步研究表明,石墨采用PCC在预嵌锂的过程中避免了金属锂沉积,生成了均一且稳定的固体电解质膜(SEI),有效防止充放电过程中SEI膨胀,活性物质与集流体间粘结力降低,活性物质脱落等现象发生。因此,LIC通过PCC完成预嵌锂后的自放电及内阻更小,具有更佳的倍率性能和循环性能。     

新型碳纳米材料在低温燃料电池催化剂中的应用

 碳纳米管及其衍生纳米碳材料是一种介于富勒烯与石墨之间的碳的存在形式,具有独特的电子性质. 碳纳米材料可与其表面负载的金属活性相产生一种特殊的载体-金属相互作用; 纳米管中电子转移的动力学行为极佳,并且其特殊的纳米级孔道结构有利于反应物及产物的传质,因此作为低温燃料电池催化剂载体备受关注. 综述了多种新型碳纳米材料如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米盘、碳纳米角和碳纳米分子筛等在低温燃料电池催化剂中的应用,并对其存在的问题和可能的发展方向进行了讨论.     

全固态锂金属电池表界面化学的研究进展

传统的锂金属电池存在电解液易泄漏、 易燃等安全隐患, 因此开发不燃性全固态电解质对于解决锂金属电池安全问题至关重要, 而如何有效降低固体电解质与电极之间的界面电阻是发展高性能全固态锂金属电池的关键. 针对如何优化全固态锂金属电池表界面的问题, 本文综述了全固态锂金属电池电极和电解质表面修饰的最新研究进展, 对提高界面接触和降低界面电阻的传统方法进行了探讨, 分析并点评了新型的表面修饰技术, 为进一步提高全固态锂金属电池的综合性能提供新思路. 最后, 对全固态锂金属电池的研究前景进行了展望.     

质子交换膜燃料电池新结构

质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）能量效率和功率密度高,无电解质腐蚀,环境友好,可望广泛用于电动汽车的发电装置、便携式电源和地面发电站等．许多发达国家都投巨资对其进行研究开发［１］．传统的单对ＰＥＭＦＣ由膜～电极组件和其两侧的集流板构成,其中膜～电极组...     

涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能影响研究

本文研究了使用涂碳铝箔作为正极集流体磷酸铁锂电池的性能。研究对比了使用普通铝箔和涂层铝箔的10 Ah软包磷酸铁锂电池的主要性能。研究表明:使用涂层铝箔不但可以提高磷酸铁锂材料的粘结性,而且使用导电涂层可以有效降低正极材料和集流体的接触内阻,从而减小电池内阻,提高电池倍率性能。与使用普通铝箔作为集流体相比,通过使用涂碳铝箔可以使得电池的内阻降低65%左右,但是,磷酸铁锂正极材料的克容量却偏低约5~10 mAh·g-1,首次效率也偏低4%左右;在快速放电15C倍率下,使用涂碳铝箔的电芯比使用普通铝箔容量提高约15%左右,10C放电倍率下,平台增加0.3~0.4 V;使用涂碳铝箔电芯的常温自放电率较高,但容量恢复率也较高;550周循环下,使用涂碳铝箔可以使得电池的循环性能提高约1%。而在电池低温性能方面,使用涂碳铝箔对低温性能并无改善。     

涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能影响研究

本文研究了使用涂碳铝箔作为正极集流体磷酸铁锂电池的性能。研究对比了使用普通铝箔和涂层铝箔的10 Ah软包磷酸铁锂电池的主要性能。研究表明：使用涂层铝箔不但可以提高磷酸铁锂材料的粘结性,而且使用导电涂层可以有效降低正极材料和集流体的接触内阻,从而减小电池内阻,提高电池倍率性能。与使用普通铝箔作为集流体相比,通过使用涂碳铝箔可以使得电池的内阻降低65%左右,但是,磷酸铁锂正极材料的克容量却偏低约5~10 mAh·g^-1,首次效率也偏低4%左右;在快速放电15C倍率下,使用涂碳铝箔的电芯比使用普通铝箔容量提高约15%左右,10C放电倍率下,平台增加0.3~0.4 V;使用涂碳铝箔电芯的常温自放电率较高,但容量恢复率也较高;550周循环下,使用涂碳铝箔可以使得电池的循环性能提高约1%。而在电池低温性能方面,使用涂碳铝箔对低温性能并无改善。     

A novel method for measuring the effective conductivity and the contact resistance of porous electrodes for lithium-ion batteries

The performance of a porous electrode is strongly related to its electrical properties, such as the effective conductivity of the coating and the contact resistance between the coating and the current collector. This work presents a new method to measure both the effective conductivity and the contact resistance with a single measurement. No preparation is necessary for this, other than cutting a disk shaped electrode and measuring the thickness of the coating. The method is applied to three different cathodes and an anode as a proof of concept.     

Critical importance of current collector property to the performance of flexible electrochemical power sources

The property of current collector is significant to the performance of flexible power supply.     

Nickel Hydroxide Supercapacitor with a Theoretical Capacitance and High Rate Capability Based on Hollow Dendritic 3D‐Nickel Current Collectors

A straightforward way to attain the theoretical capacitance and high rate capability of nickel hydroxide supercapacitors, by utilizing a mesoporous hollow dendritic three‐dimensional‐nickel (3D‐Ni) current collector is proposed. A facile electrodeposition method employing a hydrogen bubble template was chosen for rapid fabrication of the dendritic 3D‐nickel structure. After nickel hydroxide was deposited on the hollow 3D‐nickel current collector, it exhibited a highest capacitance of 3637 F g⁻¹ at a current density of 1 A g⁻¹, and retained 97 % of capacitance at a high current density of 100 A g⁻¹ with a cycle stability of over 80 % after 10 000 cycles. The enhanced performance could be attributed to the large surface area and high conductivity of the moss‐like dendritic 3D‐Ni current collector, which allowed direct contact between the active materials and the current collector, and reduced diffusion resistance between the surface of the active materials and the electrolyte. These results not only confirmed a facile fabrication method for high‐performance 3D metal nanostructures, but also offer a promising solution for state‐of‐the‐art energy storage systems.     

PEMFC薄层金属双极板研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件,占据电池组重量和成本的绝大部分。本文对铁基合金、镍基合金和铝、钛等轻金属三大类薄层金属板及其表面改性方法进行了详细评述,在此基础上提出了导电化合物和电化学方法对薄层不锈钢改性是今后薄层金属双极板的发展方向。     

Ti/(Ti,Cr)N/CrN multilayer coated 316L stainless steel by arc ion plating as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells

Arc ion plating(AIP) is applied to form Ti/(Ti,Cr)N/Cr N multilayer coating on the surface of 316 L stainless steel(SS316L) as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs). The characterizations of the coating are analyzed by scanning electron microscopy(SEM) and X-ray diffraction(XRD). Interfacial contact resistance(ICR) between the coated sample and carbon paper is 4.9 m cm~2 under 150 N/cm~2,which is much lower than that of the SS316 L substrate. Potentiodynamic and potentiostatic tests are performed in the simulated PEMFC working conditions to investigate the corrosion behaviors of the coated sample. Superior anticorrosion performance is observed for the coated sample, whose corrosion current density is 0.12 μA/cm2. Surface morphology results after corrosion tests indicate that the substrate is well protected by the multilayer coating. Performances of the single cell with the multilayer coated SS316 L bipolar plate are improved significantly compared with that of the cell with the uncoated SS316 L bipolar plate, presenting a great potential for PEMFC application.     

Contact resistance between gas diffusion layer and catalyst layer of PEM fuel cell

In this study, the electrical contact resistance between gas diffusion layer (GDL) and catalyst layer (CL) on an electrolyte membrane was experimentally evaluated as a function of compression. The contact resistances between the GDL and CL decreased nonlinearly as the GDL thickness decreased due to the compression pressure. The values of the contact resistance between the GDL and CL were found to be more than one order of magnitude larger than the contact resistance between the GDL and graphite, and even comparable to the ionic resistance of the membrane. Because of the large value and variation in contact resistance between the GDL and CL, severe current distribution may be created inside the cell. The results reported here should be highly useful in providing a more accurate picture of the transport phenomena in a fuel cell.