DMFC中电催化剂的研究进展

从阳极催化剂的开发和阴极催化剂的开发两个方面重点综述了直接甲醇燃料电池(DMFC)中电催化剂的研究进展。概述了甲醇电催化氧化机理。研究表明:阳极催化剂材料不仅可利用铂基二元或多元合金,而且可利用不含贵金属铂的电子导电混合氧化物,同时开发新的具有高活性和对甲醇无活性的氧还原反应非贵金属催化剂,应成为阴极催化剂研究的一个重要方向。

DMFC用膜电极组件的结构及性能

使用加热喷涂技术代替传统室温喷涂法制备立体化层,将立体化层引入直接甲醇燃料电池(DMFC)用膜电极组件(MEA)的结构中,优化立体化层中的Nafion载量,以增大催化层和质子交换膜之间的结合力,减少缝隙,进而降低电池内阻和物料传质阻抗。交流阻抗谱(EIS)和极化曲线证明:立体化层Nafion离子聚合物的最佳载量为0.6 mg/cm2;立体化处理的MEA较传统MEA的功率密度峰值提高19.46%;加热立体化技术将电池性能在55℃下提高到151.2 mW/cm2,机理是在进一步降低电池欧姆阻抗的同时,增大了催化层的活性面积。

DMFC用阻醇质子交换膜的研究进展

介绍了甲醇分子的渗透机理及直接甲醇燃料电池(DMFC)对质子交换膜(PEM)的基本要求,如低的甲醇渗透率和高的质子电导率。介绍了针对提高Nafion膜阻醇性能进行的各种改性研究,如膜的表面物理改性、掺杂阻醇纳米材料的改性等。评述了其他PEM,如以聚苯并咪唑(PBI)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PSU)等基膜材料为代表的聚芳环系列PEM。

DMFC用阴极抗甲醇催化剂

简单介绍了直接甲醇燃料电池(DMFC)的优点及目前研究中存在的主要技术问题,即电催化剂特别是阳极催化剂的活性不足和甲醇渗透问题。综述了DMFC使用的几种主要的阴极氧还原电催化剂的研究进展,着重对无定形的过渡金属族合物类电催化剂材料的研究状况进行了评述,认为该类催化材料的抗甲醇性能优良,但活性有待于进一步提高。

DMFC用质子型离子液体复合隔膜的制备及性能表征

由酸碱中和法制得质子型离子液体α-甲基吡啶三氟乙酸盐,再经相转化将质子型离子液体与PVDF-HFP复合成(PIL)/PVDF-HFP膜.交流阻抗测试表明,复合膜电导率随温度增加而递增,室温电导率:8×10-3S/cm,30℃电导率:1×10-2S/cm,80℃电导率:3×10-2S/cm.用计时电流法研究复合前后膜的甲醇渗透性能,结果显示,该离子液体复合前、后膜的阻醇性能无明显变化,但复合膜阻醇性能略优.

DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究

利用国家微重力实验室落塔提供的短时微重力实验环境,对常重力和微重力条件下直接甲醇燃料电池(DMFC)内部的气液两相流动形态和相应电性能等的影响进行了实验研究,发现在微重力条件下,DMFC阳极流道内CO_2气泡速度很小,气泡尺寸随着时间的推移而不断长大,甚至堵塞流道;流道堵塞现象随电流增大而急剧强化.电性能曲线显示,在浓差极化区存在显著的重力效应,电性能的恶化随浓差极化程度的加强而增大.

DMFC阳极用Pt基催化剂的研究进展

综述了直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极用单组分催化剂、Pt-Ru、Pt-Sn和Pt-Cr合金等二元催化剂与以Pt-Ru合金为基础的多组分催化剂的研究进展;综述了制备方法、载体及各组分的比例对催化剂催化活性的影响。指出DMFC阳极催化剂将致力于非贵金属催化剂的开发、阳极电极合金组成的研究和催化剂载体的选择。

DMFC中甲醇氧化催化剂的催化机理

直接甲醇燃料电池(DMFC)是电动汽车最为可行的电源。综述了作为甲醇氧化催化剂的铂及铂的多元体系;钙钛矿型氧化物的研究现状。概述了催化氧化反应机理;催化剂表面结构和性质以及电极电势对催化活性的影响。目前的催化剂是不令人满意的。基础研究将有助于我们避免用纯经验的方法来寻求更为理想的催化剂。

被动式DMFC的性能

研制了两只单体电池串联的被动式直接甲醇燃料电池(DMFC),无外部泵等辅助设施。考察了甲醇的浓度和温度、空气提供方式对单体电池性能的影响及单体电池的长期运行性能。单体电池在室温(25℃)下,贵金属载量为2.5 mg/cm2、甲醇浓度为3 mol/L时,性能最佳,峰值功率密度可达10 mW/cm2。提高甲醇温度和采用流动的空气,可提高电池的性能。单体电池在无水热管理系统1、00 mA放电的条件下,可在室温下连续、稳定地工作4 h。

DMFC的PtRu-NdO_x/C催化剂合成及性能

以NdOx作为助催化剂,采用浸渍还原法合成了不同原子比例的PtRu-NdOx/C催化剂。首先研究了不同还原温度对PtRu/C催化剂的电催化性能的影响。X射线衍射光谱法(XRD)和循环伏安测试结果表明:当还原温度为90℃时,合成出的催化剂粒度最小,对甲醇电氧化的催化性能也最好。其次,通过能量散射X射线谱(EDX)、XRD、透射电子显微镜法(TEM)和循环伏安法、计时电流法等测试手段,研究了不同n(Pt)∶n(Ru)∶n(Nd)原子比例对PtRu-NdOx/C催化剂性能的影响。实验结果表明:n(Pt)∶n(Ru)∶n(Nd)原子比为3∶3∶1时,合成出的催化剂电催化性能较好;而且Pt与Ru以合金形式存在,而Nd的氧化物则以无定形态存在,催化剂粒子分布均匀,平均粒径在2nm左右。

DMFC甲醇渗透问题的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种不需要燃料重整器而以甲醇直接进料的电化学装置。DMFCs的技术水平目前处于大规模商业化的准备阶段。鉴于DMFC商业化的主要障碍之一是甲醇渗透问题,全面解决甲醇渗透问题取决于许多因素,重点有以下几个方面:(1)改进电解质隔膜性能,(2)控制甲醇进料浓度,(3)改善电极催化活性,(4)改进MEA的结构及电池组装技术,(5)用其他醇取代甲醇,(6)用阴离子交换膜取代Nafion膜开发碱性DMFC。提供一种质子传导率高,而又能显著降低甲醇渗透率的新型质子膜是上述诸因素中最有效的措施之一。

加热喷雾法制备DMFC扩散层的性能研究

采用加热喷雾制备扩散层的新方法,制备出性能优良的膜电极,并组装成单电池进行测试,对电池温度和空气流量两个电池运行参数进行研究。结果表明:加热喷雾法制备膜电极具有良好扩散层结构,获得了优良的电池性能;在电池温度为55℃、输出电压为0.271V时,电池输出电流密度和功率密度分别达到了206.2mA/cm2和55.88mW/cm2。同时实验还表明,空气最佳流量为670mL/min,电池温度的提高有利于电池反应的动力学,进而大幅度提高电池性能。

DMFC阳极多元合金催化剂的研究进展

介绍了直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极Pt基三元、四元合金催化剂和非Pt基催化剂的制备方法,综述了甲醇催化氧化性能和相关反应机理的发展现状,讨论了DMFC多元合金电催化剂的发展趋势,研究结果表明,不同的合金组成和不同的催化剂载体对阳极催化剂的催化活性有着直接的影响。

基于CFD的DMFC阳极三维模型的建立

提出基于计算流体力学方法的直接甲醇燃料电池阳极的三维模型,并模拟了液体燃料供给的平行沟道流场结构直接甲醇燃料电池的性能.该模型考虑直接甲醇燃料电池阳极燃料的质量传输,特别是多孔介质对于燃料输运的影响,根据燃料质量传输性质,求出直接甲醇燃料电池的输出电压、平均电流密度等电性能.对不同输入燃料浓度的直接甲醇燃料电池性能进行模拟,得到的模拟结果与实验规律一致,输入燃料浓度的增加将使直接甲醇燃料电池的极限输出电流密度成比例增加.

基于自适应模糊神经网络的DMFC温度建模和控制

针对DMFC电堆的实时控制要求，应用自适应模糊神经网络技术对DMFC电堆的工作温度进行辨识建模和控制。在温度控制过程中，将训练好的网络模型作为DMFC电堆控制系统的参考模型，并对控制模型的参数进行在线自适应调整。仿真结果表明所设计的自适应模糊神经控制器性能优越。

DMFC阳极催化剂Pt-Ru/SWCNTs制备工艺和性能研究

采用化学液相还原法在单壁碳钠米管(SWCNTs)载体上制备了20%Pt-10%Ru/SWCNTs甲醇阳极催化剂。研究了H2PtCl6-RuCl3浓度、反应温度和SWCNTs纯化对PtRu/SWCNTs催化剂颗粒的影响。以20%Pt/C作阴极催化剂,以氧气作阴极氧化剂,考察了PtRu/SWCNTs阳极催化剂用量、Nafion含量和PTFE含量对单DMFC性能的影响。实验结果表明,H2PtCl6-RuCl3浓度为0.005-0.005 g.cm-2,反应温度为60℃,单壁碳纳米管经纯化后所制备的PtRu/SWCNTs催化剂具有较小的粒径和较大的表面积。PtRu/SWCNTs用量和Nafion与PTFE含量分别为0.6 mg Pt.cm-2,7%和为5%时,单电池具有较好的性能。

阴极扩散层结构对空气自呼吸式DMFC性能的影响

采用三种碳粉制备了阴极扩散层,对其表面形貌、孔隙率、透水压和透气性进行了表征,并将其应用于空气自呼吸式直接甲醇燃料电池。结果表明,与Vulcan XC-72R和Black Pearls2000碳粉所制备的阴极扩散层相比较,采用Printex XE-2碳粉制备的阴极扩散层具有较高的孔隙率和适中的孔径,具有较高的透气性和较低的透水压,有利于阴极气体扩散和水的排出,提高了空气自呼吸式直接甲醇燃料电池的性能和极限电流密度。

自呼吸式DMFC膜电极组件的新结构

提出一种新型的自呼吸式膜电极组件(MEA)结构,将用作阴极集流体的薄金属拉伸网直接嵌入阴极催化层中。电化学阻抗分析表明,新型MEA比传统MEA的欧姆电阻和扩散阻抗更小。新型MEA的最大功率密度可达9.6 mW/cm2(电池温度为25℃),比传统MEA提高了10.3%。长时间40 mA/cm2恒流测试表明,新型MEA有增强的氧传输速率和较好的水管理能力,因此电压衰减速率较小。

DMFC性能稳定性改善措施的探索

从物料性质变化的角度,结合交流阻抗谱和极化曲线,提出缓解直接甲醇燃料电池(DMFC)性能衰减的措施。采用阳极氢离子置换、建立无金属质阳极供料通道和更换甲醇储液瓶等措施,减缓电池性能衰减,机理是补充氢离子,使电池内离子的载流子浓度提高,解决电池内阻增大带来的性能衰减;同时,氢离子的浓度的提高,可向阴极提供更高浓度的反应物氢离子,进一步降低电池的性能衰减;更换无金属质的阳极供料通道,避免"阳离子效应";消除阳极副产物对甲醇电催化氧化的抑制作用。改善后,DMFC在稳定性运行中,功率密度衰减速度减小为初始状态的50%。

DMFC阳极催化层结构优化研究

直接甲醇燃料电池阳极催化层是甲醇电化学氧化的场所,并承担着将甲醇氧化成的二氧化碳排出的作用,因此提高直接甲醇燃料电池阳极的性能对于整体性能的提高有着至关重要的作用.该文采用喷雾法制备了膜电极,并在阳极催化层中加入了不同含量的NH4HCO3作为阳极造孔剂,用以改变阳极催化层的微结构.实验结果表明,阳极催化层加入造孔剂后性能比未加入造孔剂有很大提高,加入造孔剂的量为50%时性能最好,最高性能从未加入造孔剂的111 mW/cm2提高到156 mW/cm2.SEM表明,加入造孔剂后阳极表面的空隙率提高,这有助于传质的增加和二氧化碳的排出.