Designing AI-Aided Analysis and Prediction Models for Nonprecious Metal Electrocatalyst-Based Proton-Exchange Membrane Fuel Cells

Traditionally, a larger number of experiments are needed to optimize the performance of the membrane electrode assembly (MEA) in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) since it involves complex electrochemical, thermodynamic, and hydrodynamic processes. Herein, we introduce artificial intelligence (AI)-aided models for the first time to determine key parameters for nonprecious metal electrocatalyst-based PEMFCs, thus avoiding unnecessary experiments during MEA development. Among 16 competing algorithms widely applied in the AI field, decision tree and XGBoost showed good accuracy (86.7 % and 91.4 %) in determining key factors for high-performance MEA. Artificial neural network (ANN) shows the best accuracy (R2=0.9621) in terms of predictions of the maximum power density and a decent reproducibility (R2>0.99) on uncharted I–V polarization curves with 26 input features. Hence, machine learning is shown to be an excellent method for improving the efficiency of MEA design and experiments.     

质子交换膜燃料电池阳极抗CO催化剂的研究进展

质子交换膜燃料电池采用重整气或甲醇为燃料时 ,阳极催化剂的CO中毒问题是影响其性能的主要原因 .使用抗CO催化剂是解决该问题的根本方法 .文中对质子交换膜燃料电池的CO问题进行了简介 ,比较详细地介绍了目前抗CO催化剂研究的发展现状 ,包括各种催化剂的活性、制法及抗CO机理 .Mo、W是很有希望改进阳极催化剂抗CO能力的材料 ,多组分催化剂是比较有希望的方向 .     

Coupled Dynamics of Anode and Cathode in Proton-Exchange Membrane Fuel Cells

An external reference electrode was used to monitor individually the evolution of the anodic and cathodic potentials during the stationary as well as oscillatory operation of a Direct Formic Acid Fuel Cell (DFAFC) and a Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Besides evidencing the large activation loss in both cells, we were able to observe how the oscillatory operation of such devices affects their cathodes. In fact, cathodic oscillations synchronized with the cell voltage dynamics were observed, hitherto never reported on fuel cells. We have addressed these phenomena taking into account two main coupling processes: through the proton concentration and a global coupling stemming from the control mode (potentiostatic or galvanostatic).     

活性炭载体对聚合物电解质膜燃料电池中炭载铂电催化剂性能的影响

分别以松木炭和Vulcan XC-72炭为载体制得载铂电催化作用，在聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）中对其性能进行了比较。结果表明：Vulcan XC-72炭作载体的电催化剂性能显著优于松木炭作载体的电催化剂，利用多种分析对活性炭的物理和表面化学性质进行了系统的研究，发现活性炭的孔径、电导率和表面含氧基团和电催化剂性能有很大的影响。     

酸处理的碳作为阳极电催化剂用于直接抗坏血酸碱性膜燃料电池

为改善电催化活性和亲水性,作者对商业碳黑（BP2000）进行了酸处理,获得了酸处理碳（ATC）. 通过X光电子能谱、红外光谱、热重和接触角测试的表征方法证明了酸处理在碳表面产生了丰富的含氧基团. 本文首次利用紫外可见光谱测试了碱性条件抗坏血酸（AA）在空气中的化学氧化活化能,结果为37.1 kJ·mol^-1. 另外,利用交流阻抗谱对碱性条件下ATC作为电催化剂时AA的氧化反应的活化能进行了评价. 碱性条件下,AA在单电池中有无ATC电催化剂层条件下的活化能分别为26.5和34.5 kJ·mol^-1,活化能的降低表明ATC是一种有效的阳极电催化剂. 作者将ATC应用于直接碱性膜AA燃料电池（DAAFCs）作为阳极电催化剂,并且对DAAFC中一系列参数进行了优化,包括催化剂在膜（CCM）或气体扩散层（CDM）上的喷涂方法、阳极电催化剂的载量、阳极电催化剂中碱性聚合物的比例. 结果表明,采用CCM的膜电极制备方法、0.5 mg·cm^-2的ATC载量、25wt%的碱性聚合物添加比例时,DAAFCs单池的功率密度可达18.5 mW·cm^-2,远高于使用商品PtRu/C（5 mW·cm^-2）做阳极电催化剂的单池. 在寿命测试中,使用溶解于1 mol·L^-1 NaOH水溶液中的 0.5 mol·L^-1 AA作为燃料（流速15 mL·min^-1）,DAAFCs单池的功率密度可以在25 min内维持在4 mW·cm^-2以上（75 °C）.     

Carbon Monoxide Oxidation on Pt Single Crystal Electrodes: Understanding the Catalysis for Low Temperature Fuel Cells

Herein the general concepts of fuel cells are discussed, with special attention to low temperature fuel cells working in alkaline media. Alkaline low temperature fuel cells could well be one of the energy sources in the next future. This technology has the potential to provide power to portable devices, transportation and stationary sectors. With the aim to solve the principal catalytic problems at the anode of low temperature fuel cells, a fundamental study of the mechanism and kinetics of carbon monoxide as well as water dissociation on stepped platinum surfaces in alkaline medium is discussed and compared with those in acidic media. Furthermore, cations involved as promoters for catalytic surface reactions are also considered. Therefore, the aim of the present work is not only to provide the new fundamental advances in the electrocatalysis field, but also to understand the reactions occurring at fuel cell catalysts, which may help to improve the fabrication of novel electrodes in order to enhance the performance and to decrease the cost of low temperature fuel cells.     

碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究

以碳纳米管（CNT）作为低铂载量膜电极（CCM）催化层（0.1 mg_Pt·cm^-2）添加剂，研究了CNT的添加方式对催化层微观结构以及膜电极性能的影响.结果表明，与常规低铂载量催化层相比，在其表面喷涂一层CNT或将CNT均匀分散到Pt/C催化层中均有利于提升低铂载量膜电极的输出性能，在70℃和100%相对湿度条件下最高输出功率比常规低铂载量膜电极的0.522 W·cm^-2分别提升了22.4%和60.0%，并且均匀分散添加方式优于分层添加方式.其原因在于分层添加CNT后改善了低铂催化层和气体扩散层之间的接触界面，降低了催化层与扩散层间的接触电阻，而均匀分散添加方式除了可降低界面接触电阻外，还显著改善了低铂催化层中的气体传输，大幅提升了Pt催化剂的利用效率，使得膜电极电化学反应电阻明显降低.进一步对均匀分散添加方式中CNT的载量进行优化，表明CNT添加量为37.5 μg·cm^-2时电池输出性能最佳，70℃和100%相对湿度条件下的最大输出功率达到0.91 W·cm^-2.本研究工作表明，将CNT均匀分散添加到催化层中是一种有效提升低铂载量膜电极性能的方法.     

直接甲醇燃料电池阳极电催化剂

直接甲醇燃料电池作为未来清洁的动力能源，由于具有下列优点：操作温度低(<100℃)、燃料易储存和运输、能量效率高、污染低和燃料启动快而受到人们广泛的关注。阳极电催化剂是直接甲醇燃料电池最重要的组成部分。本文综述了近三年来直接甲醇燃料电池阳极电催化剂最新的研究进展，主要对催化剂制备方法、新型碳载体材料、催化剂类型作了详细的评述，展望了未来甲醇电催化氧化催化剂的发展，指出了电催化剂面临的问题。     

石墨化碳载体对Pt/C质子交换膜燃料电池

研究了碳载体Vulcan XC-72石墨化处理对Pt基催化剂稳定性的影响.在不同温度下对碳材料Vulcan XC-72进行了石墨化处理,并以处理后的材料为载体通过浸渍还原法制备了20%Pt/C催化剂.采用X射线衍射、氮气物理吸附/脱附等测试手段对碳载体材料进行表征,并用电化学实验和热重分析法考察了催化剂的稳定性.结果表明,碳材料在1 500℃左右开始石墨化,温度越高,石墨化程度越高,但比表面积逐渐减小;以石墨化的碳材料为载体的催化剂的稳定性明显优于普通Pt/C催化剂.     

钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料

固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高效、洁净的化学电源已经受到各国的重视.钙钛矿型复合氧化物由于其较高的混合导电性和对燃料气较好的催化活性及超强抗积碳能力而越来越被广泛地应用于直接烃类SOFCs的阳极材料中.本文对钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料的最新研究进展进行了较为全面的综述,从阳极的设计要求出发,着重比较了LaCrO3系列、SrTiO3系列和双钙钛矿等阳极材料的稳定性、电导率以及电催化活性,指出了其不足,并对其应用前景进行了展望.     

石墨纳米纤维用作质子交换膜燃料电池催化剂载体

利用质子交换膜燃料电池用过的废旧碳纸,采用球磨法制备了石墨纳米纤维(GNF,BET比表面积为229·3m2/g),并以GNF作为载体制备了Pt/GNF催化剂(电化学比表面积为98m2/g).与传统的以VulcanXC-72碳黑为载体的Pt/XC-72催化剂相比,其电化学比表面积及Pt粒径大小相近.采用恒电位氧化法考察了GNF,XC-72,Pt/GNF和Pt/XC-72的电化学稳定性.结果表明,在相同条件下,XC-72的峰电流增加了60%,而GNF增加了2%;Pt/XC-72的腐蚀电流比Pt/GNF的大40%;恒电位氧化60h后,Pt/XC-72约有84·7%的电化学比表面积损失,Pt/GNF仅损失37·2%.这表明GNF的抗腐蚀性优于XC-72,有希望成为质子交换膜燃料电池抗腐蚀的催化剂载体.     

质子交换膜燃料电池用碳纳米管载铂催化剂的研究

采用原位化学还原法制备碳纳米管载铂(Pt/CNTs)和碳粉载铂(Pt/C)催化剂,经透射电镜分析和X射线衍射分析,然后制成电极,组装成质子交换膜燃料电池并进行性能测试。实验结果表明,所制备的两种催化剂,铂粒径均较小(4nm左右),而Pt/CNTs表现出比Pt/C优越的催化性能。     

微生物燃料电池电极材料研究进展

微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能,可用于废水处理并产生电能,是一种极具应用前景的生物电化学技术. 本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备、功能修饰及表面构建等的研究进展,着重介绍了炭基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响,并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题,以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用.     

Single-atom Catalysts for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

Searching for high-activity, stability and highly cost-effective electrocatalysts for acid oxygen reaction reduction(ORR) has always been an urgent problem in polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFCs). Nonetheless, the electrochemical properties of various systems have their intrinsic limits and tremendous efforts have been paid out to search for highly efficient electrocatalysts by more rational control over the size, morphology, composition, and structure. In particular, single-atom catalysts(SACs) have attracted extensive interest due to theirs excellent activity, stability, selectivity and the highest metal utilization. In recent years, the number of papers in the field of SACs has increased rapidly, indicating that SACs have made great progress. This review focuses on SACs electrochemical applications in the acid ORR and introduces innovative syntheses, fuel cell performance and long-time durability.     

直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池

直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池(D-HC SOFC)具有能量密度高和运行成本低等特点,可望在便携式电源等方面得到广泛应用,已成为国际上SOFC领域的研究热点。本文对D-HC SOFC进行了热力学分析,综述了目前国际上在D-HC SOFC研究方面的现状,指出现有的D-HC SOFC研究工作绝大多数都是围绕着如何避免积碳进行。围绕着避免积碳的3条途径即降低工作温度、采用合适的催化剂和促进电化学氧化,对D-HC SOFC研究进行了阐述和讨论。文中还提到一些阳极反应机理方面的研究,并对今后的D-HC SOFC工作提出了作者的观点,认为应该在D-HC SOFC电池组方面和涉及到气体分布的阳极反应机理方面做更多工作。     

微生物阳极燃料电池极性反转现象研究

本文在构建出微生物阳极燃料电池系统的基础上,研究了微生物燃料电池极性反转现象. 实验表明,由活性污泥混合菌源接种的微生物阳极在电极表面形成电化学生物膜,但平行构建的微生物阳极燃料电池系统在内阻、输出电压和放电时长等方面存在着不同程度差异. 在串联微生物燃料电池组中,放电操作会导致性能较差的微生物单电池首先出现极性反转. 电极电势测量表明,较高的放电电流使微生物阳极电势迅速正移,导致电池系统出现极性反转. 在室温范围内,温度升高可使MFC承受较高的放电电流,不易发生极化. 燃料物质缺乏时,MFC易发生极性反转,但过高的电流仍能使燃料物质充分的MFC出现极性反转. MFC极性反转会对微生物阳极性能造成影响. 极性反转时间较短(<5 min),对微生物阳极影响不大,但延长极性反转时间,会导致微生物阳极性能下降.     

燃料电池聚合物电解质膜

本文简要介绍了聚电解质膜燃料电池的定义、分类、工作原理及其特点,综述了国内外在燃料电池聚电解质领域的最新成果。对质子传导率与甲醇渗透系数的关系进行了初步探讨,详细评述了近年来AAPEM和ACPEM这两类聚电解质膜的研究进展,并对今后的研究趋势作了展望。