磷酸型燃料电池空气电极催化反应层数学模型与数值分析

从描述多组分气体在多孔介质中传质的Ｓｔｅｎｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发，结合磷酸型燃料电池空气电极过程的自身特点及ＰＡＦＣ中Ｏ２还原过程的最新成果，建立了描述ＰＡＦＣ空气电极催化反应层中组分传质，反应速度和电分布的数学模型。并对模型中引入的主要参数提出了估算的方法，氧还原过程的电位－电流曲线与实际测量曲线吻合。     

PAFC空气电极催化层相界面结构分析

提出一个能够在任意运行条件下 (气体压力 P、输出电流密度 I)正确表征 PAFC空气电极行为的数学模型。该模型中表征“气 /液”相界面比表面的 AB与 I在不同的 P下是不同的线性关系。其中在低压下有较深的依赖关系 ,而在高压下 AB趋向与 I无关。表征“液 /固”界面的 AI在不同 P、I下基本保持不变。利用所构建的数学模型对 PAFC空气电极中催化反应层内 O2 电化学还原速度进行了定量分析 ,结果表明 ,高效的反应速度发生在“扩散层 /催化层”与“催化层 /电解质”层界面交界较近的催化反应层中 ,为贵金属催化剂的有效利用提供了理论依据。     

PAFC空气电极催化层相界面结构分析

提出一个考虑了催化层中电压不均匀分布,可以在任意气体压力p、输出电流密度I工作条件下,表征PAFC空气电极行为的数学模型.发现表征“气/液”相界面比表面的参数AB与I在不同的p下呈不同的线性关系.其中在较低的压力下AB对I有较深的依赖关系,而在较高的压力p下,AB趋向与I无关.表征“液/固”界面的参数AI在不同p、I下基本保持不变.利用所构建的数学模型对PAFC空气电极中催化反应层内O2电化学还原速率进行了定量分析.结果表明,大电流下运行的空气电极,其主要的电极反应发生在“扩散层/催化层”交界处的催化反应层中,意味着厚的催化反应层是不必要的.     

催化层位置对气体扩散电极性能的影响

以锌空气电池气体扩散电极为研究对象,采用分层添加催化剂的方式研究了改变催化层位置对气体扩散电极放电性能的影响.将气体扩散电极以集流体为中心分为两面:面向空气侧的A面与面向电解液侧的B面.根据催化剂添加位置的不同,制作四类电极:AB两面都添加催化剂、AB两面都不添加催化剂、只在A面添加催化剂、只在B面添加催化剂.在同等条件下对比并分析四类电极的放电效果.实验证明.当催化层位于气体扩散电极的空气侧(A面)时,整个电池的浓差极化与欧姆极化都会增大,而只在气体扩散电极靠近电解液侧(B面)添加催化剂时电极放电性能相对较好.     

气体电极反应动力学的薄膜旋转圆盘电极方法研究

薄膜旋转圆盘电极方法是一种常用的评价气体物质在纳米电催化剂上的反应活性的方法,但是在数据分析过程中经常忽视了气体反应物在催化剂层中到活性位点的传质可能对估算的反应动力学参数的影响.本文以氧电极反应为例,使用薄膜旋转圆盘电极研究了不同担载量Pt/C电极的氧还原活性.实验结果表明,根据Koutecky-Levich方程求算相同电位下的"表观动力学电流密度"(对Pt活性面积归一化的mA/cm2Pt)或比质量电流(mA/μg Pt)随Pt担载量的减小而增大,说明在估算动力学电流时不能忽略O2在催化剂层中的扩散传质,而气体在催化剂层中的传质与催化剂层的结构、厚度、纳米催化剂的分散度等密切相关.建议在使用薄膜旋转圆盘电极方法来研究纳米催化剂气体电极反应活性时,首先系统考察担载量、分散度与催化剂层厚的影响,然后根据不同担载量催化剂归一化后的动力学电流密度(或比质量电流)-电势曲线是否重合来验证得到的是否是真实的动力学电流,从而得到更为准确的评价结果.     

锌空气电池中空气电极摆放方式的研究

从改变空气电极的摆放方式的角度研究了改善锌空气电池放电性能的方法.通过对比相同的空气电极在同样的锌空气电池系统中采用不同摆放方式后产生的不同的放电特性,分析了空气电极的摆放方式对电极性能的影响.提出采用立式的电极摆放方式,以改善电极和电池性能及效率.     

直接甲醇燃料电池电催化机理及多孔电极传质过程研究

直接甲醇燃料电池以其独特的优势被业界人士视为本世纪最有可能实现商业化的燃料电池. 因此,众多研究院所和公司展开了深入研究,取得了瞩目的成就. 本文分析了膜电极结构的电催化和多孔电极传质过程的机制,并结合制备工艺、有序多层结构以及电池内部传输过程,讨论了近年来膜电极在直接甲醇燃料电池相关的研究进展.     

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     

流道与肋宽比对气体扩散层性能影响的数值研究

由于装配压力的作用,气体扩散层产生形变,对质子交换膜燃料电池性能产生影响。国内外学者主要研究气体扩散层形变后对燃料电池性能产生的影响,但对不同流道宽度的燃料电池探究尚不明确。本文采用有限元法建立一个单流道质子交换膜燃料电池三维模型,研究了不同装配压力以及三种流道与肋度比(流道与肋宽比分别为3:2、1:1、2:3)下,气体扩散层厚度变化规律以及它们对孔隙率和电导率的影响。结果显示,随着装配压力的增加,肋下气体扩散层厚度变薄,孔隙率减小,电导率增加;在相同装配压力下,流道与肋宽度比值越大,肋下孔隙率越小,电导率越大。     

防水型碳化钨气体扩散电极的研究

碳化钨(WC)以高硬度、高耐磨性的特性历来深受治金学家重视,常用它制造刀具、量具和模具,近二十余年才将其作为催化剂加以研究.这些年来,人们已发现WC催化剂具有较强的耐酸性、良好的导电性和电催化活性,且不受任何浓度的一氧化碳和几个PPM的硫化氢中毒,在加氢和脱氢方面,某些性质很类似于铂,故颇受人们关注. 本工作采用与常规不同的制备方法,制成高活性碳化钨粉末催化剂,曾先后对WC粉末在不同气氛中的热稳定性、几种溶液中的电化学稳定性及其阳极氧化机理进行了研究,并将WC粉末用作电催化剂制成半防水型氢电极,以碳为氯电极材料,单电池电极面积0.1m~2,由10个单电池按复极式串联成20D余瓦的氢-氯燃料电池组,在工厂中连续运行三个月,WC氢电极性能保持稳定。在此基础上,为进一步提高WC氢电极活性,提出了防水型WC气体扩散电极的研究.本文主要报导碳化钨粉末制备中物相组成、比表面及其电极制备条件对电极活性的影响,以及该电极的主要性能。     

双极电极极化行为的模拟分析方法

在电化学工程中，常用一些具有三线结构的材料作为电极，如金属泡沫、碳纤维毡等．这种电极的优点是具有比平面（二维）电极大得多的电化学界面，常称三维电极·所谓双极三维电极是指在一种特殊状态下工作的三维电极：同一三维电极体的两侧分别发生阴极和阳极电极反应［‘，2］     

Identifying Diffusion Limiting Current to Unravel the Intrinsic Kinetics of Electrode Reactions Affected by Mass Transfer at Rotating Disk Electrode

Rotating disk electrode systems are widely used to study the kinetics of electrocatalytic reactions that may suffer from insufficient mass transfer of the reactants. Kinetic current density at certain overpotential calculated by the Koutecky-Levich equation is commonly used as the metrics to evaluate the activity of electrocatalysts. However, it is frequently found that the diffusion limiting current density is not correctly identified in the literatures. Instead of kinetic current density, the measured current density normalized by diffusion limiting current density (j/j_L) has also been frequently under circumstance where its validity is not justified. By taking oxygen reduction reaction/hydrogen oxidation reaction/hydrogen evolution reaction as examples, we demonstrate that identifying the actual diffusion limiting current density for the same reaction under otherwise identical conditions from the experimental data is essential to accurately deduce kinetic current density. Our analysis reveals that j/j_L is a rough activity metric which can only be used to qualitatively compare the activity trend under conditions that the mass transfer conditions and the roughness factor of the electrode are exactly the same. In addition, if one wants to use j/j_L to compare the intrinsic activity, the concentration overpotential should be eliminated.     

电极扩散层组分分析取样技术的研究

以直径小于１００微米的毛细管作取样管,以负压和虹吸为动力将电极扩散层内的溶深吸取出来,采用电位法离线检测,通过测量电极扩散层内的Ｃｕ＾２＋浓度,对各种取样方式进行了实验评价。获得阴极扩散层Ｃｕ＾２＋浓度较本体溶液低３０％,阳极扩散层内Ｃｕ＾２＋浓度较本体溶液高１６０％的结果,证明了方法的可行性,为毛细管电泳分析及其它分析方法测量扩散层内各物质浓度及形态建立了基础。     

Electrochemical pressure impedance spectroscopy for investigation of mass transfer in polymer electrolyte membrane fuel cells

Mass transfer phenomena in membrane fuel cells are complex and diversified because of the presence of complex transport pathways including porous media of very different pore sizes and possible formation of liquid water. Electrochemical impedance spectroscopy, although allowing valuable information on ohmic phenomena, charge transfer and mass transfer phenomena, may nevertheless appear insufficient below 1 Hz. Use of another variable, that is, back pressure, as an excitation variable for electrochemical pressure impedance spectroscopy is shown here a promising tool for investigations and diagnosis of fuel cells.     

Computational Electrochemistry: A Model to Studying Ohmic Distortion of Voltammetry in Multiple Working Electrode,Microfluidic Devices,an Adaptive FEM Approach

Characteristics of mass transport and potential distribution applicable to microfluidic electrochemical flow cell devices has been modelled using the finite element method. A flexible, automatic grid generation algorithm has been combined with an a‐posteriori error indication technique presented by Nann and Heinze to allow irregular cell geometries to be modelled. The code has been applied to the problem of steady state generator – detector linear sweep voltammetry in a channel flow cell showing the effects of IR drop on the voltammetric response of each electrode.     

强度调制光电流谱研究纳晶薄膜电极过程

用强度调制光电流谱研究半导体纳晶薄膜电极光生电荷的界面转移和输运动力学过程.从测量不同外加电压和不同硫化钠溶液浓度下CdSe纳晶薄膜电极的光电流响应得到了参数:归一化稳态光电流和表面态寿命,分析界面空穴的直接转移和通过表面态的间接转移过程.通过测量不同背景光强下TiO2纳晶薄膜电极的电子扩散系数研究电子输运过程.应用HCl化学处理方法明显增大了电子扩散系数,改善了电子在TiO2纳晶薄膜电极中的输运性能.