基于多壁碳纳米管/壳聚糖多层膜修饰玻碳电极邻苯二酚的测定

改进了碳纳米管在壳聚糖溶液中的分散方法,制备了多壁碳纳米管/壳聚糖多层膜修饰玻碳电极,对比了不同修饰层数膜电极的循环伏安和电化学阻抗行为,5层多壁碳纳米管/壳聚糖膜修饰玻碳电极的电化学性能优良.在最优实验条件下,该修饰玻碳电极对邻苯二酚(CAT)有灵敏的响应,CAT浓度在3.99×10-6～9.09×10-4mol/L范围内与氧化峰电流呈良好的线性关系,检出限为2.39×10-6mol/L(S/N=3).该修饰玻碳电极性能稳定,测定4×10-5mol/LCAT溶液,RSD(n=10)为2.1%;15周后,该电极的响应值仅降低1.9%.     

高性能高功率密度质子交换膜燃料电池膜电极

膜电极是质子交换膜燃料电池最为重要的核心部件,其性能直接决定着燃料电池的性能。提高膜电极的性能和功率密度,对于推动燃料电池的商业化进程具有十分重要的意义。通常意义上的膜电极包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极气体扩散层和阳极气体扩散层等5个基本单元(常常称之为五合一膜电极),气体扩散层又包括气体扩散材料层和微孔整平层;膜电极的性能取决于材料和制备技术两个方面,制备技术、膜电极的关键组成材料、铂载量都对膜电极的性能和功率密度具有重要影响。近年来,随着催化剂和质子交换膜等关键材料性能的提升,以及制备技术的进步,国内外膜电极的性能得到了大幅度的提升,丰田公司燃料电池的体积功率密度可高达3.2 kW/L。本文将主要从膜电极制备技术的角度(涉及催化剂层和气体扩散层的制备技术等)介绍近年来高性能高功率密度膜电极的研究发展情况,同时介绍国内外在降低膜电极铂载量和开发自增湿膜电极方面的研究进展。     

溶胶-凝胶流动相异型直接甲醇燃料电池性能研究

以掺杂石墨粉的中间相碳微球(MCMB/G)烧结管为阴极支撑体,采用浸涂工艺分别制备了扩散层和催化层并在其外表面包裹Nafion膜,制得管状异型阴极并组装成异型直接甲醇燃料电池;采用溶胶-凝胶法制备了适用于直接甲醇燃料电池的溶胶-凝胶流动相。研究了溶胶-凝胶流动相异型直接甲醇燃料电池的阻抗,考察了阴极支撑体壁厚、阴极扩散层载量、实验温度和溶胶黏度等对电池极化性能的影响。结果表明,异型电池阻抗比传统平板电池大,但活化后电池阻抗明显下降;较低的溶胶黏度和较高的工作温度有利于提高电池性能;支撑体壁厚为1.3 mm、扩散层载量为3.5 mg/cm2时的电极性能最优。     

质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟

质子交换膜燃料电池的商业化应用迫切要求降低其Pt载量. 本文通过Pt/C氧还原电极的动力学模型计算,研究了Pt/C电极中的氧分布、生成电流以及满足实际应用的最小Pt载量. 结果表明：燃料电池Pt/C电极,阴极产生严重浓差极化的催化层厚度为40mm;功率密度达到1.4 W•cm^-2（2.1 A•cm^-2@0.67 V）的电池性能需要3mm左右的Pt/C阴极催化层,阴极Pt载量为0.122 mg•cm^-2,即可使膜电极的阴极铂用量低于0.087 g•kW^-1.     

Au Nanowires-MWCNTs修饰电极对葡萄糖的催化氧化

通过油胺(Oleylamine)还原法制备了金纳米线(Au nanowires),将其与酸化处理的多壁碳纳米管(MWCNTs)通过层层组装制备了Au nanowires-MWCNTs复合结构修饰的玻碳电极(Au nanowires-MWCNTs/GCE).电化学研究结果表明,与单纯Au nanowires或MWCNTs修饰电极相比,Au nanowires-MWCNTs/GCE对葡萄糖表现出更优良的电催化性能.以Au nanowires-MWCNTs/GCE为阳极,电沉积Pt膜电极(Pt/GCE)为阴极,构建了葡萄糖/O2燃料电池.测试结果表明,构建的燃料电池的开路电位(OCP)为0.57 V,在0.44 V下最大功率密度(Pmax)为0.28 m W/cm2.     

双极界面聚合物膜燃料电池Ⅱ:阴极催化层结构优化

以薄层亲水电极或者厚层憎水电极作为双极燃料电池(BPFC)阴极, 系统考察了薄层亲水阴极中季铵化聚砜(QAPSF)含量、厚层憎水电极中聚四氟乙烯(PTFE)含量对电池性能的影响. 结果表明, 采用薄层亲水阴极时, 催化层中QAPSF的最佳含量是20 wt%, 室温下BPFC的最大输出功率达到186.1 mW/cm². 采用厚层憎水电极时, 催化层中PTFE的合适含量是20 wt%, 40 ℃时BPFC的最大输出功率达到461.5 mW/cm². 由于碱性阴极对排水的需求较高, 厚层憎水电极相较于薄层亲水电极在BPFC中更有优势.     

平整层对PEM燃料电池自增湿性能的影响

制备了不同聚四氟乙烯(PTFE)含量与不同碳载量的电极平整层,经过相同的膜电极成型工艺处理后,组装成单电池进行极化曲线与交流阻抗分析,发现平整层中的聚四氟乙烯含量从24%增到35%时,H₂/O₂型燃料电池自增湿发电最高功率密度增长了0.1W/cm²,但当聚四氟乙烯含量增大到42%时,电性能略有下降;然而H₂/Air型燃料电池自增湿发电性能却随着聚四氟乙烯含量增大而提高.平整层载量对自增湿发电影响较大,平整层载量为4.0mg/cm²的膜电极与无平整层的膜电极在H₂/O₂自增湿操作下相比,最高功率密度提高约0.27W/cm².通过压汞仪与扫描电镜(SEM)对平整层的物化性能进行了结构分析.     

空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池阴极微孔扩散层的优化

直接甲醇燃料电池;空气“自呼吸”;阴极微孔层;阴极水管理;膜电极集合体     

一种新型的甲酸/铁离子燃料电池

以甲酸为燃料、 Fe³⁺为氧化剂组成了一种新型的甲酸/铁离子燃料电池, 阳极催化剂为多壁碳纳米管(MWCNT)或β-环糊精修饰的MWCNT(β-CD-MWCNT)负载的金属钯或钯锡纳米颗粒: PdSn/MWCNT, Pd/β-CD-MWCNT和PdSn/β-CD-MWCNT. 运用循环伏安(CV)和计时电流(CA)等技术研究了各催化剂在碱性条件下对甲酸氧化反应的电催化活性. 结果表明, 加入适量的金属锡能促进钯对甲酸的电催化氧化, 甲酸氧化电位提前, 电流密度增加; 环糊精的改性对催化剂电催化活性有一定提升. 将上述催化剂制成电池阳极片, 碳粉制成电极阴极片, 组成甲酸/铁离子燃料电池并测试其放电性能. 结果表明, 电池的开路电压在0.981.20 V之间; 以PdSn/β-CD-MWCNT为阳极时, 其最大放电电流密度达50 mA/cm², 最大功率密度达12.6 mW/cm², 远优于以Pd/C为阳极的电池性能.     

直接甲醇燃料电池催化活性层的优化

本文考察了直接甲醇燃料电池 (DMFC)不同催化剂载量的膜电极性能 .对催化剂层中Nafion含量进行优化 ,研究了Nafion含量对电池的阻抗的影响 .实验发现 :DMFC适宜的阳极Pt_Ru/C载量为Pt 4mg/cm2 、Nafion质量百分含量为 2 1.4 % ;高电流密度下 ,阴极Pt/C载量为Pt4mg/cm2 、Nafion质量百分含量为 2 1.4 %时 ,有较好的放电性能 ,继续增加Nafion含量 ,阴极的欧姆极化和浓差极化增大 ,电池性能下降     

MEA with double-layered catalyst cathode to mitigate methanol crossover in DMFC

Methanol permeation is one of the key problems for direct methanol fuel cell (DMFC) applications. It is necessary to change the structure of the cathode of membrane electrode assembly (MEA). Therefore, a novel MEA with double-layered catalyst cathode was prepared in this paper. The double-layered catalyst consists of PtRu black as inner catalyst layer and Pt black as outer catalyst layer. The inner catalyst layer is prepared for oxidation of the methanol permeated from anode. The results indicate that this double-layered catalyst reduced the effects of methanol crossover and assimilated mixed potential losses. The performance of MEA with double-layered catalyst cathode was 52.2 mW cm⁻², which was a remarkable improvement compared with the performance of MEA with traditional cathode. The key factor responsible for the improved performance is the optimization of the electrode structure.     

碳纤维基PtSn催化剂直接乙醇燃料电池制备及性能研究

采用自制的碳纤维基PtSn催化剂薄膜作为阳极催化剂,商用Pt/C作为阴极催化剂,Nafion 115膜作为质子交换膜,通过热压制成膜电极,组装平板型直接乙醇燃料单电池,搭建测试系统并进行性能的测试,研究了温度、乙醇浓度、溶液流量、进气流量等参数对DEFC的影响。结果表明,当乙醇溶液浓度为1.0 mol/L、溶液进样流量为1.0 mL/min、溶液温度为80 ℃、氧气进样流量为100 mL/min时结果较优,单电池的最高功率密度达18.2 mW/cm²。     

离子型交联磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备及高温燃料电池性能

以2,2′-双(4-磺基苯氧基)联苯二胺、 2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑和1,4,5,8-萘四甲酸二酐为单体, 通过逐步聚合和溶液成膜法制备了离子型交联磺化聚酰亚胺质子交换膜(SPI PEMs). SPI PEMs具有优异的机械性能和耐水解稳定性, 在高离子交换容量和高湿度下具有和NR212相当的质子传导性能. 电池工作温度为90 ℃时, 高加湿条件下, n(BSPOB)/n(DABI)为5/2的离子型交联SPI PEM(M1)的最大输出功率密度(W_max)为 0.93 W/cm², 高于NR212的0.86 W/cm². 当电池温度提高到110 ℃时, 所有PEMs的电池性能显著下降, M1的W_max为0.54 W/cm², 明显高于共价型交联的SPI PEM. 离子型交联的SPI PEM在110 ℃下300 h的开路电压(OCV)耐久性降低了约10%, 远高于NR212.     

Single wall carbon nanotube supports for portable direct methanol fuel cells

Single-wall and multiwall carbon nanotubes are employed as carbon supports in direct methanol fuel cells (DMFC). The morphology and electrochemical activity of single-wall and multiwall carbon nanotubes obtained from different sources have been examined to probe the influence of carbon support on the overall performance of DMFC. The improved activity of the Pt-Ru catalyst dispersed on carbon nanotubes toward methanol oxidation is reflected as a shift in the onset potential and a lower charge transfer resistance at the electrode/electrolyte interface. The evaluation of carbon supports in a passive air breathing DMFC indicates that the observed power density depends on the nature and source of carbon nanostructures. The intrinsic property of the nanotubes, dispersion of the electrocatalyst and the electrochemically active surface area collectively influence the performance of the membrane electrode assembly (MEA). As compared to the commercial carbon black support, single wall carbon nanotubes when employed as the support for anchoring the electrocatalyst particles in the anode and cathode sides of MEA exhibited a approximately 30% enhancement in the power density of a single stack DMFC operating at 70 degrees C.     

A novel electrode architecture for passive direct methanol fuel cells

The supply of cathode reactants in a passive direct methanol fuel cell (DMFC) relies on naturally breathing oxygen from ambient air. The successful operation of this type of passive fuel cell requires the overall mass transfer resistance of oxygen through the layered fuel cell structure to be minimized such that the voltage loss due to the oxygen concentration polarization can be reduced. In this work, we propose a new membrane electrode assembly (MEA), in which the conventional cathode gas diffusion layer (GDL) is eliminated while utilizing a porous metal structure for transporting oxygen and collecting current. We show theoretically that the new MEA enables a higher mass transfer rate of oxygen and thus better performance. The measured polarization and constant-current discharging behavior showed that the passive DMFC with the new MEA yielded better and much more stable performance than did the cell having the conventional MEA. The EIS spectrum analysis further demonstrated that the improved performance with the new MEA was attributed to the enhanced transport of oxygen as a result of the reduced mass transfer resistance in the fuel cell system.     

Pt-Ru supported on double-walled carbon nanotubes as high-performance anode catalysts for direct methanol fuel cells

Pt-Ru supported on carbon nanotubes (CNTs) (single-walled nanotubes, double-walled nanotubes (DWNTs), and multi-walled nanotubes) catalysts are prepared by an ethylene glycol reduction method. Pt-Ru nanoparticles with a diameter of 2-3 nm and narrow particle size distributions are uniformly deposited onto the CNTs. A simple and fast filtration method followed by a hot-press film transfer is employed to prepare the anode catalyst layer on a Nafion membrane. The Pt-Ru/DWNTs catalyst shows the highest specific activity for methanol oxidation reaction in rotating disk electrode experiments and the highest performance as an anode catalyst in direct methanol fuel cell (DMFC) single cell tests. The DMFC single cell with Pt-Ru/DWNTs (50 wt %, 0.34 mg Pt-Ru/cm(2)) produces a 68% enhancement of power density, and at the same time, an 83% reduction of Pt-Ru electrode loading when compared to Pt-Ru/C (40 wt %, 2.0 mg Pt-Ru/cm(2)).     

层级多孔碳载铂催化剂的制备及可达性

层级多孔碳作为氧还原铂基催化剂载体的选择之一, 简单的旋转圆盘电极(RDE)验证此类催化剂具有较高的氧还原活性, 但几乎都缺少膜电极(MEA)性能验证, 实用性无法保证. 本文设计制备了基于聚苯胺的层级多孔碳（NHPC）载铂催化剂（Pt/NHPC850）, 研究了其氧还原活性、 MEA质子传输和氧传输特性. RDE测试研究表明, Pt/NHPC850催化剂在低I/C（离聚物与碳载体质量比）时的面积活性低于实心碳载铂催化剂（Pt/XC-72）, 但当I/C增大到与膜电极中一致时, 由于Nafion树脂对Pt催化剂的毒化作用增强, 其面积活性反而优于 Pt/XC-72. Pt/NHPC850催化剂的高Pt分散性及其优异的抗Nafion毒化性能, 使其在I/C为0.8时的质量活性为Pt/XC-72催化剂的1.34倍. MEA质子传输研究表明, 即使在高加湿条件下, Pt/NHPC850质子电阻率仍高达72.6 mΩ·cm², 为Pt/XC-72的3倍. Pt/NHPC850制备的膜电极极化曲线在500 mA/cm²电流密度下性能迅速下降, Pt/NHPC850的氧增益电压达到144.4 mV, 比Pt/XC-72高56.7 mV. 表明Pt/NHPC850膜电极的质子传输和氧传输性能较差. 对比Pt/NHPC850催化剂的RDE和MEA的测试结果, 说明以层级多孔碳为载体的铂碳催化剂虽然耐Nafion毒化能力提高, 但是质子和氧气的氧传输性较差, 此类层级多孔碳还需进一步优化其结构, 才有可能满足低铂质子交换膜燃料电池（PEMFC）的应用需求.     

碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能

燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置,被认为是构建未来社会可再生能源结构的关键一环。不同于质子交换膜燃料电池(PEMFC),碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)的出现使非贵金属催化剂的使用成为可能,因而受到了日益广泛的关注和研究。APEFC的关键结构是膜电极,主要由聚合物电解质膜和阴阳极(含催化层、气体扩散层)组成,膜电极是电化学反应发生的场所,其优劣直接决定着电池性能的好坏。因此,基于现有的碱性聚合物电解质及催化剂体系,如何构筑更加优化的膜电极结构,使APEFC发挥出更高的电池性能是亟待开展的研究。本文首先通过模板法在碱性聚合物电解质膜的表面构建出有序的锥形阵列,再将具有阵列结构的一侧作为阴极来构筑膜电极,同时,作为对比,制备了由无阵列结构的聚合物电解质膜构筑而成的膜电极,最后对基于两种不同膜电极的APEFC的电化学性能进行了对比研究。实验结果表明,锥形阵列结构可以将APEFC的峰值功率密度由1.04 W·cm-2显著提高到1.48 W·cm-2,这主要归因于在APEFC的阴极侧具有锥形阵列结构的聚合物电解质膜的亲水性的提升和催化剂电化学活性面积的增加。本工作为碱性聚合物电解质燃...     

YSZ传导膜H_2S固体氧化物燃料电池

研究了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)氧离子传导膜H2S固体氧化物燃料电池性能。掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,掺杂电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂,用扫描电镜对YSZ和膜电极组装(MEA)进行了表征,比较了不同电极催化剂的性能和极化过程,考察了不同温度对电池性能的影响。结果表明,双金属复合MoS2/NiS阳极催化剂在H2S环境下比Pt和单金属MoS2催化剂稳定,复合NiO阴极催化剂比Pt性能好,在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性;与Pt电极相比,复合MoS2阳极和复合NiO阴极催化剂的过电位较小,阳极的极化比阴极侧小;温度升高,电池的电流密度与功率密度增加,电化学性能变好。在750℃、800℃、850℃和900℃及101.13 kPa时,结构为H2S、(复合MoS2阳极催化剂)/YSZ氧离子传导膜/(复合NiO阴极催化剂)、空气的燃料电池最大功率密度分别为30 mW/cm2、70 mW/cm2、155 mW/cm2及295 mW/cm2、最大电流密度分别为120 mA/cm2、240 mA/cm2、560 mA/cm2和890 mA/cm2。     

新型共混交联磺化聚醚醚酮/部分氟化磺化聚芳醚砜质子交换膜的制备与表征

制备了基于磺化聚醚醚酮(SPEEK)/部分氟化磺化聚芳醚砜(SPFAES)的共混交联型质子交换膜(CMB), 研究了其吸水率、 尺寸变化、 力学性能、 热性能、 质子电导率、 化学稳定性及电池性能等. 通过在溶液浇铸过程中加入脱水剂诱导高温脱水反应, 在共混体系内构建了交联结构. 结果表明, 由于SPEEK与SPFAES之间良好的相容性、 分散性和聚合物链的重排及交联作用, CMB膜在干态下均表现出出色的力学强度, 且物化稳定性得到大幅提升. 在低离子交换容量(1.21~1.51 mmol/g)条件下, CMB膜的质子电导率达到122~219 mS/cm(80 ℃), 在氢氧单电池中, CMB4膜的最大功率密度达到530.5 mW/cm²(80 ℃).