PEMFC阴极中氧扩散和电化学反应模型研究—I．TFFA模型及其数值计算

将薄膜浸渍聚集体（TFFA）模型用于描述质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极中氧的扩散和反应过程，其中包括氧气在气体扩散层和反应层气体通道中的扩散，氧气在反应层薄膜中的溶解和扩散，氧在反应层浸渍聚休体中的扩散和反应以及电子和离子的传导，并根据PEMFC阴极的结构特点给出TFFA模型的数值解法。     

PEMFC阴极中氧扩散和电化学反应模型研究Ⅱ. TFFA模型参数对电极性能的影响

运用薄膜浸渍聚集体（TFFA）模型，考察了质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极伏安曲线受阴极结构参数变化的影响程度。计算结果表明：阴极反应层的孔隙率和厚度、反应层中浸渍聚集体体积分数、半径和涂覆的薄膜厚度、Nafion电解质离子传导率以及气体扩散层的平均孔径对电极性能有较大的影响。相比之下，反应层中气体通道半径、气体扩散层孔隙率以及反应层中碳相传导率的变化对电极性能影响不大。     

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。     

阴极Pt负载量和背压对PEMFC性能的协同影响规律

结合静态模型计算和实验测试,从活化过电势、欧姆损失和浓差过电势三个方面量化分析了阴极Pt负载量和背压协同对质子膜燃料电池(PEMFC)性能的影响规律。考察了阴极Pt负载量为0.1、0.2、0.4mg·cm－2,背压为100、150、200kPa条件下的燃料电池性能。通过比较发现,在上述条件任意组合下,随着电流密度增加,活化过电势、欧姆损失和浓差过电势逐渐加大,直接影响燃料电池性能;但在相同背压条件下,随着电流密度增加,低Pt负载量时的浓差过电势比高Pt负载量时增加得更快;同时发现,背压增加对提高燃料电池的性能有帮助,但背压增加对低Pt负载量比对高Pt负载量效果更明显。因此对于低Pt燃料电池,应适当提高运行背压以优化其性能。本文对上述实验结果的产生机理进行了探讨,并期望该结果能对低Pt/超低Pt燃料电池的设计及性能优化提供参考与借鉴。     

SO2气体对质子交换膜燃料电池阴极性能的影响

将5×10-8~3.2×10-6(空气中的体积含量)的SO2通入质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池阴极, 研究了SO2对PEMFC性能的影响. 实验得到的电压-时间(V-t)曲线和极化(V-I)曲线表明, 空气中SO2含量达到5×10-7时, 将对PEMFC的性能产生显著的和不可逆的影响, 且SO2浓度越大电池性能的下降幅度越大. 对SO2影响前后的电化学交流阻抗谱(EIS)的解析表明, 电池电荷传递阻抗(Rct)的变化可逆, 而阴极的表面状态发生了不完全可逆的变化. 循环伏安(CV)实验数据进一步证明, SO2毒化后阴极的活性电化学表面积(EAS)缩小.     

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。     

质子交换膜燃料电池阴极催化层疏水性优化（英文）

本文采用CCM法(catalyst coated membrane)技术,结合单电池极化曲线、电化学阻抗谱、极限电流法和表面接触角等多种表征技术,系统研究了直接聚四氟乙烯(PTFE)分子添加以及PTFE修饰的疏水性碳(PTTE@XC72)等不同疏水化方法对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极催化层电化学性能、氧气传输阻抗和质子传输阻抗的影响。在此基础上,通过构建PTFE梯度化疏水性结构来进一步优化PEMFC的性能。结果表明,与添加PTFE@XC72相比,直接添加适量的PTFE分子对膜电极(MEA)性能提升效果更为显著,这主要与该疏水结构可在维持高速质子传导的同时,极大降低催化层的氧气传输阻抗有关。当直接添加的PTFE与催化层中碳载体的质量比为0.1时,MEA呈现最好的性能。在添加PTFE@XC72的MEA中,由于额外的碳颗粒导致催化层厚度增加,延长了反应物质的传输路径,从而使得质子传输阻抗和氧气传输阻抗均上升。在此基础上,通过在催化层不同位置直接添加PTFE构建梯度化疏水性结构。结果表明,当适量PTFE靠近催化层与气体扩散层界面分布时,MEA呈现最好的性能,峰值功率密度比未经疏水性处...     

银在质子交换膜燃料电池空气阴极内促进氧传递研究

利用离子交换及随后的氢还原,将单质银负载在质子交换膜(Nafion)孔道内.TEM、XRD表征载银Nafion膜的结构,电化学极限电流法测定氧在载银Nafion膜内的扩散系数.结果表明,因银晶颗粒大于Nafion孔道直径,致使Nafion孔道有所扩张;氧在载银Nafion膜内的扩散系数是无银Nafion膜的4倍.据此,把银引入质子交换膜燃料电池空气阴极催化剂表面的Nafion薄层,则电池的性能在高电流密度下有明显的提高,显示了银对该电极内氧传递的促进作用.     

自增湿阴极开放式PEMFC的温度调控

温度对自增湿阴极开放式质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能有着重要的影响. 依据自制的常压自增湿型PEMFC及温度控制设备搭建测试平台,测试了燃料电池在不同工作温度下的输出特性曲线-伏安曲线和功率输出曲线. 通过拟合得到了电极过程动力学参数,分析了工作温度影响电池性能的主要原因.     

织构气体扩散层表面氢氧燃料电池阴极超低Pt载量催化层的磁控溅射法制备

采用磁控溅射技术在具有织构结构的气体扩散层(GDL)表面制备了可应用于氢氧质子交换膜燃料电池的超低Pt载量阴极催化层, 并通过SEM、 轮廓仪和XRD等测试方法表征了GDL及其载Pt后的形貌和物相, 利用XPS分析溅射Pt的化学价态, 使用电池测试台表征其电池性能. 测试结果表明, 磁控溅射法在GDL表面沉积的Pt催化层载量可控且分布均匀; 与商业GDL对比, Pt在织构GDL表面具有更大的可附着面积. 电池性能测试结果显示, 当Pt载量为0.04 mg/cm²时, 以织构GDL作基材的样品质量比功率高达26.25 kW/g Pt, 远大于商业GDL作基材时的17.76 kW/g Pt, 也大于同等Pt载量下商业Pt/C催化剂的24.00 kW/g Pt.     

质子交换膜燃料电池及电池组模型分析

本文对现有质子交换膜燃料电池以及电池组模型进行比较分析,认为数学模型的建立,可以增加对燃料电池及电池组内部的传递现象和反应机理的认识,同时可以预测电池以及电池组的性能,并且对优化电池结构参数具有指导意义.模型分析包括了现阶段质子交换膜燃料电池单电池模型和电池组模型的基本类别,它们是单电池CFD数值模拟模型、单电池以及电池组性能模拟模型、燃料电池组气体分配模型、系统模型和非稳态模型.比较了几种模型的建模方式及不同模型的应用范围和各自的优缺点.     

PEMFC商用催化剂电催化活性和寿命研究(英文)

采用自设计的特制H 形电解槽模拟单个氢 空气质子交换膜燃料电池运作,并以电化学方法、SEM及XRD等技术研究两种商用催化剂,即碳载铂(Pt/C)和纯铂钌(Pt Ru)的电催化活性、表面形貌及其结构和寿命.同时对比了两种催化剂分别放在H 形电解槽和常规电解槽中运行情况的测试结果.实验表明,经过H 形电解槽运行后的催化剂,其循环伏安曲线表征氢吸脱的特征峰分别发生了正偏移(Pt/C电极)和负偏移(Pt Ru电极),且对应的峰电流呈现减小的趋势(特别是Pt/C电极).一氧化碳的毒化造成纯铂钌的电催化活性显著下降,其影响是不可逆的.     

考虑催化层中气液态水影响的PEMFC微观模型

在考虑气、液两相水影响的条件下基于微观格点催化层模型对聚合物膜燃料电池(PEMFC)性能进行了模拟. 通过氧浓度分布和反应速率分布的比较, 说明了同时考虑催化层中气、液两相水影响的必要性. 模拟分析了液态水体积分数、氧气浓度及氧还原反应速率等在阴极催化层中的分布情况和影响因素. 考察了不同程度‘水淹’情况下的电池性能以及催化层孔隙率对水传递和电池性能的影响. 结果显示, 催化层中‘水淹’程度对电池性能有显著影响. 催化层中较大的孔隙率便于其中水的排出, 从而有利于提高电池性能.     

基于阴极新结构的高性能自呼吸式mems微型氢/空气燃料电池

微型质子交换膜燃料电池;阴极结构;自呼吸;mems技术     

质子交换膜燃料电池模型研究进展

综述了质子交换膜燃料电池 (PEMFC)数学模型的研究进展 ,分析PEMFC中膜、催化层、扩散层和流场区域的传递现象和水、热管理的重要性 ,讨论了模型的维数、复杂性和求解方法 .提出了带有时间维数的PEMFC模型研究的实际应用意义     

三聚氰胺甲醛树脂废弃物制备氧还原电催化剂研究

在燃料电池阴极催化剂的研究中,FeNx/C材料与目前广泛应用在燃料电池中的Pt基催化剂相比,不仅价格低廉,而且表现出良好的氧还原催化活性. 尽管如此,设计合成性能高、成本低的FeNx/C催化剂仍面临巨大挑战. 在此,作者提出废物利用的方法,以三聚氰胺甲醛树脂固体废物为前驱体,合成了具备介孔结构和较大的比表面积的非贵金属催化剂. 经酸性条件半电池测试,这种电催化剂的氧还原催化活性接近5%商业Pt/C性能. 本文工作为三聚氰胺甲醛树脂固体废弃物处理提供了新思路.     

质子交换膜燃料电池气体扩散层的研究进展

气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。本文对气体扩散层的组成、制备方法及参数优化的实验研究现状进行了综述,介绍了现有的气体扩散层性质的各种表征方法,指出了研究中存在的问题,提出了气体扩散层的进一步改进方向。     

CeO2的富氧性能对质子交换膜燃料电池阴极的影响

应用溶胶法和浸渍法向质子交换膜燃料电池阴极Pt/C催化剂添加CeO2,透射电子显微镜(TEM)分析和循环伏安测试表明:对由上述两种方法制备的各含5%CeO2的Pt/C催化剂,其粒径、形态分布以及CeO2在催化剂表面的覆盖度都不相同.单电池测试结果发现,二氧化铈的富氧作用表现明显,在以溶胶法制得的CeO2-Pt/C催化剂中,3%CeO2含量的催化剂呈现最佳的性能,而由浸渍法制得的CeO2-Pt/C,则以1%CeO2含量的性能最好,但对比之下,不如溶胶法制备的含3%CeO2的催化剂.     

分散溶剂对PEMFC催化层中超薄Nafion离聚物质子传导的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化应用的瓶颈仍然是贵金属催化剂导致的成本问题。然而,目前对于催化层中纳米尺度全氟磺酸离聚物(以Nafion为代表)薄膜中质子传导的问题研究不足,无法完善三相界面的成型规律,进而指导催化层设计。在催化层浆料制备过程中,分散溶剂对Nafion的分散形态有直接影响,可能对催化层成型后附着在催化剂颗粒表面Nafion薄膜的微观结构有潜在影响,进而影响Nafion薄膜的质子传导能力。因此,在本文中利用分子自组装技术模拟催化层离聚物薄膜的聚集过程,于模型基底上制备厚度精确可控的纳米尺度Nafion薄膜,并通过微观测试表征技术探索并建立纳米尺度Nafion离聚物的微观结构模型,阐明分散溶剂对Nafion薄膜微观结构及质子传导的影响。研究发现Nafion薄膜在纳米尺度下的质子电导率比体相膜的质子电导率低一个数量级,使用介电常数较小的醇类溶剂可以使Nafion薄膜形成更有利于质子传导的微观结构,使Nafion薄膜的质子电导率得到提高。相关研究结果为优化PEMFC催化层结构,改善PEMFC催化层中质子传导问题提供给了依据。     

PtCr合金的溶液制备及其电化学性质分析

催化剂性能的高低直接决定了燃料电池性能的好坏. 采用Pt基合金不仅能够降低催化剂Pt的载量, 而且往往能够提高催化剂的性能. 本工作用Cr作为合金化元素, 通过液相共沉淀的方式制备了不同比例的碳载PtCr合金催化剂. 采用高分辨透射电镜(HRTEM), 扫描电镜(SEM)等技术对合金催化剂的物理性质进行了测试. 结果表明, 获得的PtCr/C催化剂均匀地分散在Vulcan XC-72碳载体上, 粒度小于4 nm. 通过电化学测试, 研究了不同比例PtCr合金的电化学催化性能. 循环伏安测试表明, 本实验条件合成的合金催化剂在Pt/Cr原子比为2/1的时候, 对氧还原动力学有最佳的催化性能.