质子交换膜燃料电池膜电极

介绍了质子交换膜燃料电池膜电极的组成，电极反应，综述了近年来膜电极的研制方法。探讨了该电池电极制作过程的关键问题及技术。     

质子交换膜燃料电池电极的一种新的制备方法

提出一种新的电极制备方法 ,在薄层催化层电极制备中加入造孔剂 ,并使用喷涂方法 ,使质子交换膜燃料电池 (PEMFC)电极中铂担量降到 0 .0 2mgPt/cm2 .与文献方法相比 ,新方法过程简单、成本低、易放大 .并通过实验得到电极的最佳组成为 :催化剂 :造孔剂 :Nafion =3:3:1 .采用此方法制备的电极 (0 .0 2mgPt/cm2 )与Nafion 1 1 5膜组装成电池 ,单池工作电压为 0 .7V时 ,每毫克铂可产生 2 0A的电流 ,每千瓦电池组仅需 72mgPt .     

有序化膜电极研究进展

燃料电池的性能方面在近年来有很大提高,但要实现商业化其成本和Pt用量需要进一步的降低. 大量的文献工作证明了有序化膜电极有助于提高电极中催化剂的利用率、降低Pt的用量以及增加反应的三相界面,特别是3M公司制备的纳米薄膜电极（NSTFs）是一种高活性,高稳定性的薄膜状催化层,从而电极稳定性也大幅提高. 此外也有不少工作使用导电性好的碳纳米管阵列,以及稳定性高的金属氧化物阵列等作为这种3D结构催化层中催化剂的有序载体,研究进一步提高Pt基催化剂的活性,降低Pt担载量,构效关系等一些基础性的工作. 但是总体上看,现有的有序化膜电极,均需要进一步改进. 本文评述了目前国内外有序化膜电极的研究现状.     

Nafion乳液法制备燃料电池膜电极组件

本文提出一种制作燃料电池膜电极组件的新方法.该法特点在于用非极性溶剂代替传统的极性溶剂配制催化剂-Nafion混合物,从而催化层可直接涂覆到Nafion膜表面制成MEA,而不引起Nafion膜的溶胀,适合规模制作.本法所得MEA中的催化剂利用率与目前流行的转移法相近,以氢氧燃料电池的方式于常温下工作取得令人满意的初步放电结果.     

质子交换膜燃料电池有序化膜电极

质子交换膜燃料电池的核心部件--膜电极经历了两代传统制备方法后,已经进入第三代有序化膜电极发展阶段.有序化膜电极包括质子导体有序化膜电极和电子导体有序化膜电极两大类,而电子导体有序化膜电极包括催化剂材料有序化膜电极和催化剂载体材料有序化膜电极.有序化膜电极具有良好的电子、质子、水和气体等多相物质传输通道,从而可以大大降低膜电极中Pt载量、提升燃料电池的发电性能和延长燃料电池寿命.本文整理了近几年有关有序化膜电极的研究报道,梳理了有序化膜电极研究进展,归纳比较了各种有序化膜电极制备方法的优缺点,对未来高性能、低成本和长寿命的膜电极制备技术开发具有指导意义.     

质子交换膜燃料电池膜电极组催化层结构

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件,而催化层是MEA的核心部分。催化层既是电化学反应的场所,同时也为质子、电子、反应气体和水提供运输通道,其结构对PEMFC的成本及性能有很大的影响。本文综述了近年来国内外催化层结构方面的研究进展,介绍了催化层中聚合物电解质(Nafion)含量、溶剂的性质和其他添加剂对MEA结构和性能的影响,MEA热压参数的研究进展以及目前常见的催化层涂布方法。     

质子交换膜燃料电池膜电极耐久性的提升

质子交换膜燃料电池由于具有能量转换效率高、操作温度低、环境友好等优点而备受人们关注。随着2014年丰田发布燃料电池电动汽车Mirai,带来了新一轮燃料电池及燃料电池汽车的产业化热潮。然而,提升质子交换膜燃料电池的寿命,开发新一代长寿命燃料电池膜电极及燃料电池仍然是本领域的挑战性课题。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池最核心的部件,其耐久性直接决定着燃料电池的寿命。MEA主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层三部分组成。本文从质子交换膜、催化剂及载体、气体扩散层三个方面介绍了近年来国内外在提升燃料电池膜电极的寿命(耐久性)方面所做的工作,并对未来的相关研究和发展做了述评及展望。     

质子交换膜燃料电池的研究

通过测定电压－电流密度曲线等方法研究质子交换膜燃料电池的电极参数。构造了Ｅｃｅｌｌ＝０．７Ｖ，Ｉ＝０．５５Ａ／ｃｍ＾２并能够稳定运行的燃料电池。改进电池的电极结构，研究了各种操作条件如温度，压力，增湿情况，尾气流量等对电池性能的影响。     

低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极研究进展

具有自增湿能力的低温质子交换膜燃料电池膜电极是实现自增湿燃料电池的重要途径,对于燃料电池的商业化具有十分重要的意义,它不仅可以大幅度减小燃料电池系统的体积,提升燃料电池系统的输出功率密度,还可以有效降低燃料电池的制造成本. 目前,低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极的研究主要是集中在构建具有自增湿能力的质子交换膜、自增湿催化层和复合自增湿层三个方面. 本文主要从这三个方面系统介绍近年来国内外低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极方面的研究进展和发展趋势.     

质子交换膜燃料电池梯度化膜电极

为实现质子交换膜燃料电池的高性能(高功率密度或大电流密度)、低成本(低铂载量)、长寿命发电,人们尝试在燃料电池的核心部件膜电极结构中引入梯度化设计的概念。梯度化膜电极包括膜电极中各组件的梯度化:气体扩散层的PTFE含量与孔隙率的梯度化,催化层的催化剂与Nafion用量的梯度化以及微孔层的疏水性与孔隙率的梯度化。梯度化膜电极中催化剂分布、孔隙率分布、亲/疏水性分布合理,具有良好的三相反应界面以及质子、电子、反应气体、水等多相物质高效传输通道,从而能满足在低铂载量、低加湿以及高电流密度条件下高性能稳定工作。本文整理了近几年来有关燃料电池梯度化膜电极研究的相关文献,梳理了梯度化膜电极研究发展脉络,归纳总结了各种梯度化膜电极的制备方法、性能以及构效关系,并展望了梯度化膜电极下一步研究方向,对高性能、低成本、长寿命的燃料电池开发具有指导意义。     

质子交换膜燃料电池的组装(锁紧力)对其寿命性能的影响

系统考察质子交换膜燃料电池组装(锁紧力,0.45~11.3 MPa)对其性能和寿命的影响,并确定了最佳锁紧力.以最佳锁紧力(3.2 MPa)的单电池作2000 h寿命测试,根据该单电池不同运行时间下的极化和功率曲线分析,得到与其活化区对应的电化学参数.XRD检测表明,电池组装施加的锁紧力不但影响电池的接触电阻,而且还影响由MEA微观结构决定的电池反应动力学性能.在最佳锁紧力作用下运行2000 h后的单电池在大电流密度区出现了明显的性能衰减,这主要是由于催化剂的团聚效应引起的.但在非最佳锁紧力作用下,阴极催化剂的团聚作用远大于阳极催化剂.     

Cu~(2+)对质子交换膜燃料电池氧电极性能的影响

以旋转圆盘电极模拟PEMFC阴极,计时库仑、循环伏安、线性扫描等电化学方法研究Cu2+电解液对碳载铂催化剂电化学活性和氧还原性能的影响.结果表明,在恒电位0.49 V下,Pt/C催化剂活性比表面(ECA)明显减小,此际基底可能发生Cu欠电位沉积,从而掩盖催化剂的活性比表面;数据拟合指明Cu欠电位沉积占据催化剂表面部分氧原子吸附点位,使该点位桥式吸附的氧原子转变为顶式吸附氧原子.     

硫化氢燃料电池的无机质子传导膜与MEA制备和性能

制备了硫化氢固体氧化物燃料电池的无机质子传导膜和膜-电极-组装(MEA)。用扫描电镜(SEM)和电化学阻抗(EIS)技术表征了无机质子传导膜和MEA的形貌与性能。研究了不同膜厚和掺杂或没有掺杂Li₂WO₄组分的传导膜和MEA的性能。结果表明，与没有掺杂Li₂WO₄组分制备的MEA相比，掺杂了Li₂WO₄组分制备的MEA的电导提高了一个数量级，掺杂了Li₂WO₄制备的MEA硫化氢燃料电池在操作条件下具有更好的化学稳定性和电化学性能。以Mo-Ni-S为主要成分的复合阳极、0.8 mm厚和组成为67wt% Li₂SO₄ + 8wt% Li₂WO₄ + 25wt% Al₂O₃复合材料制备的质子传导膜、NiO为主要组分的复合阴极构成的MEA硫化氢燃料电池，在650、700和750 ℃时，最大输出功率密度分别达到50、85和130 mW·cm^-2，最大电流密度分别为200、350和480 mA·cm^-2。     

PEMFC阴极催化层结构分析

采用CCS法（catalyst coated substrate）构建铂纳米颗粒（Pt-NPs）和铂纳米线（Pt-NWs）双层催化层结构,分析其对单电池电化学性能的影响。对于富铂/贫铂双层铂纳米颗粒结构,靠近质子交换膜侧的富铂层中致密的铂颗粒结构能促进ORR速率,而靠近气体扩散层一侧的具有更高的孔隙率和平均孔尺寸的贫铂层,有利于反应气体的传输和扩散,当贫富铂层铂载量比为1:2时,单电池测试表现出最优性能,在0.6 V时的电流密度达到了1.05 A·cm^-2,峰值功率密度为0.69 W·cm^-2,较常规单层催化层结构提升了21%。在以Pt-NPs作为基底层时生长Pt-NWs时,得到了梯度分布的双层结构。铂颗粒的存在促进了铂前驱体的还原,并为新形成的铂原子提供了沉积位置。在Pt-NPs基底上生长的Pt-NWs具有更均匀的分布以及更致密的绒毛结构,并且自然形成了一种梯度分布。优化后的Pt-NWs催化层在0.6 V时的电流密度提高了21%。含有双层催化层结构的膜电极具有更高的催化剂利用率,对阴极催化层结构的优化和制备提供了新思路。