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。     

活性炭表面性质对氧气扩散电极电催化性能的影响

 分别采用硝酸和空气氧化处理制得具有不同表面性质的粉末活性炭,并以此为催化层材料制成炭基氧气扩散电极,测定了不同电极的极化曲线和电化学阻抗谱. N2物理吸附和He程序升温脱附(He-TPD)研究表明,硝酸处理对活性炭孔结构的影响较小,但可使其表面含氧基团明显增加; 而空气氧化处理则会导致活性炭的中孔面积和孔容显著增大,但对表面含氧基团的影响较小. 极化曲线和电化学阻抗谱研究发现,当活性炭的孔结构相近时,电极的催化性能随着表面含氧基团的增多而急剧下降; 当活性炭表面含氧基团的量相近时,中孔孔容增大将导致电极催化性能的恶化. 与活性炭表面含氧基团相比,孔结构对氧气扩散电极的电化学性能具有更显著的影响.     

碳的热处理对PEMFC氧电极性能的影响

氧还原反应;碳黑;碳的热处理对PEMFC氧电极性能的影响;聚合物燃料电池;氧电极     

新型气体扩散电极体系高效产H2O2的研究

以自制新型石墨/聚四氟乙烯(PTFE)气体扩散电极在无隔膜体系中进行双氧水发生工艺的优化研究, 主要探讨了不同石墨和PTFE质量比、阴极电位、pH值和氧气流速对H2O2产率的影响. 结果表明, 以石墨和PTFE质量比为2:1的气体扩散电极为阴极, 在pH=3, Na2SO4浓度为0.1 mol•L−1, 氧气流速为0.4 L•min−1, 阴极电位为−0.55 V (vs SCE)时, 2 h后H2O2可以达到60 mg•L−1. 该新型体系有较高的H2O2产率和电流效率(可达60%以上), 且pH值适用范围较广, 可望应用于水中污染物的处理.     

金电极析氢反应过程中吸附氢原子的表面扩散及复合反应动力学研究

用特别设计的以平面金电极为工作电极,以Nafion膜为固体电解质的实验装置,对金电极析氢反应过程中吸附氢原子的表面扩散及吸附氢原子复合为氢分子的反应进行了定量研究,发现吸附氢原子在金表面上的扩散及复合反应引起了电流增加.对这一随时间变化的电流增加数据进行计算机模拟和数值拟合,得到金电极析氢反应中吸附氢原子的表面扩散系数、复合反应常数及其它动力学参数,并对数据进行了讨论.     

玻碳电极上DTAB对氧还原反应的促进作用

用旋转圆盘玻碳电极研究了阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)对氧还原反应的影响. 结果表明, DTAB明显提高了玻碳电极对氧还原的电催化活性. 通过对氧还原电流与旋转速度的关系以及动力学电流与电位的Tafel关系分析, 发现DTAB提高了玻碳电极对氧还原反应电荷传递步骤的传递系数, 因此加快了氧还原的动力学过程.     

La_(1-x)Sr_xCoO_3气体扩散电极在碱性条件下的氧还原电催化性能

用涂覆加压成型方法制备了具有钙钛矿结构的 La1 - x Srx Co O3多孔气体扩散电极 ,测定了它们的稳态阴极极化曲线和循环伏安图谱。通过对多孔铂电极与 La1 - x Srx Co O3多孔气体扩散电极的相关曲线的对照分析 ,得出了L a1 - x Srx Co O3在碱性条件下 ,具有比铂更好的氧还原催化活性的结论。并计算出 L a1 - x Srx Co O3多孔电极的表观交换电流密度 i0 =7.6 8× 1 0 - 4 A/cm2 ,比同样条件下的铂电极的 i0 高 3～ 4个数量级。     

纳米碳管作为氧扩散电极催化层第二相碳载体的电极特性

A novel gas diffusion electrode using binary carbon supports (carbon nanotubes and active carbon) as the catalyst layer was prepared. The electrochemical properties for oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline electrolyte were investigated by polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy. The results show that the binary-support electrode exhibits higher electrocatalytic activity than the single-support electrode, and the best performance is obtained when the mass ratio of carbon nanotubes and activated carbon is 50 ∶50. The results from their electrode kinetic parameters indicate that the introduction of carbon nanotubes as a secondary support provides high accessible surface area, good electronic conductivity and fast ORR kinetics. The electrocatalytic activity of binary-support electrodes is obviously improved by the deposition of Pt nanoparticles on carbon nanotubes, even at very low Pt loading (45.7 μg/cm2). In addition, the EIS analysis results show that the process of ORR may be controlled by diffusion of oxygen in the thin film for binary-support electrodes with or without Pt catalyst.     

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.     

调制脉冲电沉积法制备质子交换膜燃料电池铂催化电极

通过调制脉冲电流在质子交换树脂(Nafion)粘接的无催化多孔碳电极(UCE)上电沉积Pt 催化剂, 对所沉积Pt 催化电极性能及负载量用循环伏安法(CV)、X 射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)及分光光度法进行了表征. 结果表明, 通过调制电沉积过程的脉冲参数, 能够实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)电极Pt催化剂的直接电化学沉积, 能够调控电沉积Pt粒径, 并能有效地缓解电沉积过程中析氢对沉积金属催化剂铂的干扰, 所沉积的Pt 催化剂利用率较传统Nafion 粘接Pt/C催化电极要高. 脉冲导通时间ton 为300 μs、断通时间toff 为1200 μs, 脉冲峰值电流密度jp 为100 mA·cm-2 时, 电沉积120 s制得的电极的Pt 晶粒约5-8 nm, Pt 表面利用率为43.14%, 沉积Pt的电流效率为45%.     

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.     

PEMFC用亲水型薄层MEA的制备及其性能

本文提出一种新颖简易的方法制备PEMFC的亲水型薄层MEA,其阴、阳极催化层Pt担量分别为0. 4和 0. 2mg/cm2.实验发现,在亲水型MEA的表面上,有大量钟乳石状细微颗粒存在,从而使电极催化层的比表面积增大.在小电流密度区( <1A/cm2 ),亲水型MEA的极化性能差于Pt担量为 0. 7mg/cm2的疏水型常规MEA,但在大电流密度区( >2A/cm2 ),则前者的极化性能优化后者;亲水型MEA的最大输出比功率为1. 23W/cm2,高于疏水型电极的 1. 19W/cm2;在大电流密度区,亲水型MEA中的Pt电化学比活性也明显高于疏水型电极.     

聚合物膜燃料电池用电催化剂研究进展

综述了聚合物膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）用电催化剂最新的研究进展,包括阳极甲醇催化剂有机螯合物催化剂及其它的还原催化剂。     

空冷型PEMFC电堆的单电池特性研究

本文对实验室自制的自增湿空冷型PEMFC电堆进行了自适应特性研究,并分析了各单电池的性能以及各电池的电压分布情况. 实验中设定操作条件为：阳极工作压力为2 bar,阴极风扇功率0.3 W,氢气室每隔10 s排水1 s. 从实验结果可以看出,空冷型PEMFC的电压分布与负载电流的大小具有一定的联系,大电流负载下电池的电压分布会出现明显的不均匀现象,根据分析结果可以看出,电堆的单体电压波动率与负载电流之间存在近似的指数关系分布,且各单片电池间内阻的差异与大电流下过高的电堆温度都会造成电压分布不均匀的现象.     

采用交流阻抗法对质子交换膜燃料电池(PEMFC)电化学行为的研究

通过对PEMFC运行于不同状态下的交流阻抗分析,提出其等效电路可用LR₁[QR₂]表示.对各参数模拟表明,随放电电位升高感抗L下降,而系统电阻R₁和电荷转移阻抗R₂均呈上升趋势,改进催化层结构设计及在大电流运行时加大排水量有利于减小电池内部感抗;加湿温度上升有利于降低R₁和R₂,但低放电电位下R₂的偏离程度较大,电池内阻是LR₁[QR₂]的综合结果,在高放电电位时,随加湿温度上升内阻下降,低放电电位时内阻上升的原因在于水抑制了反应气体到达催化剂表面及电荷内部转移的过程,使电池内部趋向于电容状态.LR₁[QR₂]微观分析和宏观现象得到较好的统一,高放电电位时表现尤为明显.     

The Role of PANI/Nafion on the Performance of ORR in Gas Diffusion Electrodes of PEM Fuel Cell

In this work, gas diffusion electrodes were fabricated from Nafion and polyaniline (PANI) nanofibers. The goal of this work was to find the optimal combination of Nafion and polyaniline in gas diffusion electrodes. The electrodes were evaluated for oxygen reduction reaction effectiveness, and their electrochemical properties were investigated by using electrochemical techniques, and PEM single cell. The results revealed that electrodes containing both Nafion and polyaniline worked more efficiently than electrodes containing either Nafion or polyaniline only. The optimum combination is noted as 0.6 mg/cm² PANI and 0.4 mg/cm² Nafion.     

微波-胶体法制备PEMFC纳米Pt/C电催化剂

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有高功率密度、高能量转换效率、低工作温度和环境友好的优点，被认为是第五代燃料电池和未来较为理想的电动汽车动力源之一。为了降低PEMFC中氧还原反应的电化学极化，提高电池的输出功率，目前普遍采用Pt作为催化剂。Pt资源匮乏，价格昂贵，研究开发更好的制备工艺以减小Pt金属尺     

汽油自热重整制氢反应过程分析

汽油空气自热重整制氢是解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）氢源的重要途径。汽油中组分复杂,特别是碳原子数、分子结构相差很大时,各组分生成焓、汽化热相差很大,热力学分析表明：重整难易有较大差别,重整规律各异;另一方面,它们重整特性又有相似的一面,理论氧碳摩尔比均接近于0.31。以正辛烷自热重整反应作为模型反应,发现重整过程O2/C、H2O/C都显著影响产氢率,高水碳比时产品气废热能否尽量回收也是一个重要因素。理论上,在O2/C=0.5、H2O/C=2.0时存在最优氢产率2.1mol/mol C,这时可以得到40mol%的氢气。在本所开发的GH12汽油重整优质催化剂上,以固定床瓜尖器模拟正辛烷自热重整反应过程,发现实验结果与理论分析吻合良好。据此提出了汽油制氢合理的工艺路线。