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     

启动工况下质子交换膜燃料电池动态性能仿真分析

本文以等效电路模型为基础模型,结合动态气体压力模型和动态热传输模型建立了集总参数模型,在SIMULINK环境下,利用建立的模型模拟了电池启动过程,发现了电压的下冲现象,且电压的响应时间与电池温度的响应时间基本一致,说明启停过程中电池温度对电池的动态性能影响很大. 进一步从温度角度对模型中决定电池输出电压大小的热力学电动势、活化过电势、欧姆过电势和浓差过电势的动态响应情况进行了分析,发现启动过程电压的下冲现象主要由电池活化过电势和欧姆过电势的过冲引起;当以阶跃信号形式输入温度时,启动过程电池输出电压响应很快且未发生下冲现象,说明提高电池温度的响应速度能够改善电池的动态性能.     

乙烷质子传导膜燃料电池的极化与反应机理

制备了以乙烷作为燃料电池膜电极组装(MEA)及构建了单电池系统。研究了Nafion材料作为质子传导膜、Pt/C作为电极催化剂构成的燃料电池在105 ℃和0.4 MPa电化学性能。采用交流阻抗分析法、色谱分析法及根据Faraday定律,考察了电池的电极极化过程,确定了电池的反应产物并探讨了电极的电化学反应机理。研究结果表明,乙烷燃料电池内阻引起的欧姆极化很小,电池阴极的极化主要是欧姆极化过程所控制,阳极极化主要为活化和浓差过程控制,阳极极化比阴极极化显著,乙烷燃料电池的极化主要在阳极侧;在实验操作条件下,阴极反应产物为水,阳极反应的主产物为CO₂且含有少量的CO,电池反应产物不含乙烯。     

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.     

Ba_(0.95)Ce_(0.9)Y_(0.1)O_(3-α)固体氧化物的离子导电性及其燃料电池性能

以Ba0 .95Ce0 .9Y0 .1O3-α氧化物陶瓷为固体电解质 ,以多孔性Pt为电极材料 ,分别组成氢、氧浓差电池和氢_空气燃料电池 ,测定了 6 0 0～ 10 0 0℃范围内的浓差电池电动势 ,燃料电池的放电性能和电极极化性能 .结果表明 ,Ba0 .95Ce0 .9Y0 .1O3-α在氢气氛中几乎是一个纯质子导体 ,在氧气氛中是氧离子与电子空穴的混合导体 ,氧离子迁移数在 0 .3～ 0 .5之间 ,在氢_空气燃料电池条件下显示出混合离子 (质子 +氧离子 )导电性 ,总离子迁移数大于 0 .9.该燃料电池性能良好 ,Pt电极极化性能很小 ,最大输出电流密度为 6 80mA·cm- 2 (10 0 0℃ ) ,最大输出功率密度为 16 0mW·cm- 2 (10 0 0℃ ) .     

高活性、低载量的PtCo/C质子交换膜燃料电池催化剂的合成（英文）

利用逐步合成的方法,合成了一系列不同量硝酸处理的PtCo/C催化剂。通过燃料电池测试装置对催化剂进行了测试,结果表明PtCo/C催化剂在较低载量情况下,有着很好的性能:在50 kPa背压下,0.9 V下的电流密度达到44 mA·cm~(-2),0.8 V下的电流密度超过300 mA·cm~(-2);200 kPa背压下,最高功率密度超过1 300 mW·cm~(-2)。通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)对合成的PtCo/C催化剂的形貌、组成进行了表征。XRD结果表明,催化剂中,Pt以Pt_3Co和Pt颗粒形式存在。燃料电池测试结果表明,这一系列的催化剂中,经2 mL质量分数65%的浓硝酸配制的水溶液处理过的PtCo/C催化剂,具有最好的燃料电池性能以及良好的稳定性。     

乙烷PBI/H_3PO_4质子传导膜燃料电池性能

研究了以乙烷作为燃料、掺杂了H3PO4的聚苯并咪唑(PBI)材料作为质子传导膜、Pt/C作为电极催化剂构成的燃料电池电化学性能。采用溶液铸造法制备了PBI/H3PO4质子传导膜,考察了在PBI膜中H3PO4的掺杂量与时间的关系及乙烷气体在增湿和不增湿条件下PBI/H3PO4燃料电池的电化学性能;探讨了电池的反应机理及不同操作温度对电池性能的影响。结果表明,PBI膜H3PO4适宜的掺杂时间为8h,电解质中掺杂600mol%H3PO4;乙烷气体增湿后,电池性能变好;操作温度提高,电化学反应速率加快,电池的输出电流与功率密度增加。结构为C2H6,(Pt/C阳极)/PBI/H3PO4膜/(Pt/C阴极),O2的单电池,在200℃和0.1Mpa、乙烷气体的湿度从0增加到0.02kgH2O/kg乙烷时,电池的最大输出电流密度从1.5mA·cm-2增加到34mA·cm-2,最大功率密度从0.33mW·cm-2增加到5.5mW·cm-2。     

BaCe_(0.8)Y_(0.2)O_(3-α)固体电解质的离子导电性及其燃料电池性能

用高温固相反应合成了BaCe0.8Y0.2O3-α固体电解质用氢浓差电池和氧浓差电池方法研究了它的离子导电特性。以该氧化物为固体电解质多孔性Pt为电极材料组成氢空气燃料电池测定了该燃料电池的电流电压特性。研究发现BaCe0.8Y0.2O3-α在氢气中几乎是一个纯的质子导体在氧气中是一个氧离子和电子空穴的混合导体其燃料电池的开路电压OCV接近于理论值最大输出电流密度约为820mA·cm-21000℃最大输出功率密度约为200mW·cm-21000℃放电性能稳定具有良好的电池性能。     

高活性、低载量的PtCo/C质子交换膜燃料电池催化剂的合成

利用逐步合成的方法,合成了一系列不同量硝酸处理的PtCo/C催化剂。通过燃料电池测试装置对催化剂进行了测试,结果表明PtCo/C催化剂在较低载量情况下,有着很好的性能：在50 kPa背压下,0.9 V下的电流密度达到44 mA·cm^-2,0.8 V下的电流密度超过300 mA·cm^-2;200 kPa背压下,最高功率密度超过1 300 mW·cm^-2。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）对合成的PtCo/C催化剂的形貌、组成进行了表征。XRD结果表明,催化剂中,Pt以Pt₃Co和Pt颗粒形式存在。燃料电池测试结果表明,这一系列的催化剂中,经2 mL质量分数65%的浓硝酸配制的水溶液处理过的PtCo/C催化剂,具有最好的燃料电池性能以及良好的稳定性。     

燃料电池碳基氧还原催化剂的设计与应用

燃料电池以高比能、低污染等独特优势,备受研究者的广泛关注。然而,燃料电池的商业化应用受到电极催化剂的性能、隔膜性能与成本等方面的限制。其中,氧还原反应作为燃料电池阴极的关键电极反应,其催化剂的电催化活性显著影响燃料电池性能和生产成本。因此,氧还原催化剂一直是燃料电池研究重要方向之一。碳基催化剂表现出了类似贵金属的电催化活性,通过优化碳基催化剂的结构及表面电子性质,能够降低氧还原反应过电势,促进氧还原四电子的反应过程,从而实现更高的能量转化效率。针对碳基催化剂在燃料电池中的基础应用,本文综述了近年来杂原子掺杂以及非贵金属与杂原子协同掺杂碳基催化剂的设计思路、电催化性能和潜在的催化机理等最新研究进展,并对未来发展方向进行了总结与展望。     

Impact of Membrane Types and Catalyst Layers Composition on Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

Performance of a low temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is highly dependent on the kind of catalysts, catalyst supports, ionomer amount on the catalyst layers (CL), membrane types and operating conditions. In this work, we investigated the influence of membrane types and CL compositions on MEA performance. MEA performance increases under all practically relevant load conditions with reduction of the membrane thickness from 50 to 15 μm, however further decrease in membrane thickness from 15 to 10 μm leads to reduction in cell voltage at high current loads. A thick anode CL is found to be beneficial under wet operating conditions assuming more pore space is provided to accommodate liquid water, whereas under dry operating conditions, an intermediate thickness of the anode CL is beneficial. When studying the impact of catalyst layer thickness, too thin a catalyst layer again shows reduced performance due to increased ohmic resistance ruled out the performance of the MEAs which have identical Pt crystallite sizes on the cathode CLs i. e. the thinnest the cathode CL, the highest the voltage were achieved at a defined current load. Adaptation of the operating conditions is highly anticipated to achieve the highest MEA performance.     

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.     

低铂膜电极结构优化途径

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心组件,长期以来,在衣院士的指导下,我国高度重视膜电极技术的开发. 目前,燃料电池的研发和产业化进入了一个新的时代,对膜电极提出来更高的要求,特别是在降低铂载量方面,提出了0.125 mg·W^-1的挑战性指标. 本文从活化极化、欧姆极化和传质极化三个方面分析了低铂载量情况下电池性能下降的原因,提出应重点关注催化剂在燃料电池工作区间（0.6 V ~ 0.8 V)的催化活性,并讨论了用电荷传输阻抗作为催化剂活性指示符的合理性. 从优化潜力来说,传质极化优化>活化极化优化>欧姆极化优化. 催化层结构优化是实现低铂目标的关键,重点是解决离子聚合物（ionomer）传递质子和阻碍气体的矛盾.     

聚合物电解质膜燃料电池薄电极制备技术的研究

为降低聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC)电极中铂的载量 ,本文建立一种新的薄电极制备技术 (TEFT) ,制备了表面平滑、颗粒分布均匀的低铂载量电极 .结果表明当电极的铂载量为 1mg/cm2 ,用Nafion 117膜作电解质时 ,电池的最大功率密度达 0 30W·cm-2 .系统地考察了阴极中不同PTFE和Nafion含量对PEMFC性能的影响 .     

正交设计法优化PEMFC催化层的最佳配比

利用正交实验设计法优选PEMFC电极催化层制备的最佳条件.实验证实亲水电极(催化层中不含PTFE)性能优于疏水电极.在该工艺条件下,当Nafion的含量为1.4mg·cm-2,Pt含量为0.4mg·cm-2时,以常压的H2和空气分别作为燃料气和氧化剂,电池的最高功率可达到0.37W·cm-2.研究表明,提高Pt/C中的Pt含量将是提高催化剂性能的有效途径.     

聚苯胺修饰Pt/C催化剂对质子交换膜燃料电池动态响应的促进作用

将超级电容器材料聚苯胺引入电极催化剂中以缓冲燃料电池负载的变化.以硫酸为掺杂剂,将化学法合成的聚苯胺(PANI)与Pt/C超声分散混合,制成PANI-Pt/C催化剂.PANI-Pt/C的循环伏安测试和作为质子交换膜燃料电池阴极电催化剂的电池性能测试表明,PANI含量为10%时能够提高Pt/C催化剂对氧的还原动力学速度和燃料电池放电性能.电池在不同电流负载下的电压动态响应和对电池脉冲电流的动态响应以及PANI-Pt/C催化剂多电位电势阶跃计时电流测试显示,聚苯胺在催化剂中具有在瞬间电流负载时缓冲电池电压和电池大电流放电时平稳电压的作用.     

Total oxidation of ethanol and toluene over ceria—zirconia supported platinum catalysts

The effect of platinum loading (0.09–1.00 mass %) on the performance of ceria-zirconia supported catalysts in the total oxidation of ethanol and toluene in air was investigated. The introduction of platinum promoted the reduction of surface cerium and decreased the acidity of the catalysts. In ethanol oxidation, the temperature of 50 % conversion decreased with increasing platinum content. This increase in catalytic performance was more pronounced for the catalysts with 0.59 mass % and 1.00 mass % Pt. On the other hand, higher amount of by-products (mainly acetaldehyde) was observed at increased platinum loadings. For all catalysts, a correlation between their H₂-TPR profiles and catalytic performance was revealed. In toluene oxidation, only the catalysts with 0.59 mass % and 1.00 mass % Pt exhibited a lower temperature of 50 % conversion than pristine ceria-zirconia. The effect of platinum loading was less pronounced than in ethanol oxidation and a correlation between reduction behaviour and catalytic performance was not observed. The superior catalytic performance of the catalysts with 0.59 mass % and 1.00 mass % of Pt in both ethanol and toluene oxidation was ascribed to the presence of large platinum nanoparticles, which were not observed at lower Pt loadings.     

High Pt utilization PEMFC electrode obtained by alternative ion-exchange/electrodeposition

High Pt utilization PEMFC electrodes were prepared by an alternative ion-exchange/electrodeposition (AIEE) technique. The results demonstrated that the MEA employing an AIEE electrode with a Pt loading of 0.014 mg Pt cm(-2) exhibits performance approximately 2.2 times larger than that employing a conventional Nafion-bonded Pt/C electrode with a same Pt loading.     

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.