介孔碳载体缓解碱性聚电解质燃料电池阳极水淹

碱性聚电解质燃料电池(APEFCs)相较于目前研究最多的质子交换膜燃料电池(PEMFCs),其优势体现在阴/阳两极均可使用价格低廉的非贵金属催化剂,有望降低燃料电池的使用成本.APEFCs的研究在过去20年飞速发展,主要集中在高效碱性聚电解质(APE)隔膜和阴/阳极催化剂等关键材料的研发.目前,APEFCs的性能已接近于PEMFCs,针对其研究也逐渐从关键材料的研发扩展到电池的稳定性和水管理等更深层次问题.相较于PEMFCs,APEFCs的水管理问题更为复杂.每当阳极产生4个水分子,阴极会消耗2个水分子,容易导致阴极缺水和阳极水淹,进而影响电池的性能和稳定性.对APEFCs水管理的优化将是实现电池性能和稳定性突破的重要方向.本文主要研究碳载体对APEFCs水管理的影响,合成了一系列介孔碳负载的Ru催化剂(Ru/MCP-x,x为MCP的孔径,x=30,50,100 nm),并以Ru/XC72催化剂为对照.扫描电镜和N2吸附-脱附结果表明,介孔碳载体具有三维贯通的孔结构,而XC72为实心碳颗粒.溶液电化学测试结果表明,不同催化剂在0.1 mol/L的KOH溶液中的氢氧化反应(HOR)活性相当.以Ru/MCP-x和Ru/XC72为阳极催化剂进行电池装配(记为Ru/MCP-x电池和Ru/XC72电池),结果表明,当使用高进气流量(1000 mL/min)时,Ru/MCP-x电池和Ru/XC72电池性能接近;当使用更接近实际工况的低进气流量(200 mL/min)时,所有电池性能均有所下降,且降幅存在明显差距.其中,Ru/MCP-50电池和Ru/MCP-100电池的降幅分别为36%和35%,而Ru/MCP-30电池和Ru/XC72电池的降幅分别为43%和72%.通过在低进气流量下改变进气湿度,结果发现,Ru/MCP-30电池和Ru/XC72电池性能大幅下降的原因是阳极发生水淹.弛豫时间分布(DRT)方法可以将不同弛豫时间的极化过程在时域中分离开来,从而可以分辨各极化过程对电池性能的影响.利用电化学交流阻抗(EIS)技术结合DRT方法进一步分析各电池在不同电流密度下的阻抗行为,DRT结果表明,在低进气流量下Ru/XC72电池的传质极化电阻显著高于Ru/MCP-x电池,说明阳极水淹导致了Ru/XC72电池的气体传质受阻,因而电池性能大幅下降.当MCP孔径增加至50和100 nm时,传质极化电阻在不同电流密度下始终处于较低水平,电池未发生明显水淹.这说明孔径的增加有效地缓解了低进气流量下阳极的水淹问题,从而保持较高的电池性能.综上,本文利用EIS-DRT方法比较了不同阳极碳载体对APEFCs性能和气体传质极化电阻的影响,表明介孔碳载体有利于缓解APEFCs中的阳极水淹问题,具有作为阳极载体的潜力.

聚合物电解质燃料电池中的酞菁催化剂

为了降低聚合物电解质燃料电池(PEFC)的成本,提高直接甲醇聚合物电解质燃料电池(DMFC)中正极催化剂对甲醇渗漏的不敏感性,开发全新的氧还原电催化剂以替代传统的铂(Pt)催化剂的工作正在展开。详细描述了金属酞菁类大环化合物(MPc)代替Pt在PEFC中作为氧还原电催化剂的使用和各种MPc构型及处理方法对氧还原电催化活性的影响。从理论上对MPc的氧还原电催化机理进行了介绍,并给出金属酞菁类化合物在PEFC中作为氧还原催化剂的使用方法。

聚合物电解质燃料电池的研究进展

综述了聚合物电解质燃料电他(PEMFC)最新的研究进展,包括离子交换膜、膜电极结构及工艺、电催化剂、水和热管理.最后,对我国的PEMFC研究提出了意见.

高性能镓酸镧基电解质燃料电池

制备并用多种电化学方法研究了LaGaO3基高性能中温固体氧化物燃料电池的电极和电解质材料,组装出了高性能单电池.实验发现,Co掺杂的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3电解质中,Co含量的增加显著提高了电解质的氧离子电导率,电解质的氧迁移数略有减小,是非常好的中、低温燃料电池电解质.钴掺杂的电解质不仅显著减小了电池的欧姆电阻,而且减小了电池的阴、阳极极化过电位.以La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.11Co0.09O3为电解质时电池在1073、973、873K下的最大输出功率密度分别达到1.77、0.92、0.41W·cm-2,是非常有前景的电池体系.

碱性聚合物电解质燃料电池电极疏水性对性能的影响

本文报道H2-O2型碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)电极疏水性对放电性能的影响.以季铵化聚砜(QAPS)或自交联型季铵化聚砜(xQAPS)碱性聚电解质(APE)作为隔膜和电极中的电解质(Ionomer)、聚四氟乙烯(PTFE)作为疏水添加剂调控催化层疏水性.结果表明,阳极催化层疏水性的增强有利于提升电池放电性能,而阴极催化层疏水性适中时电池性能最优.采用疏水性较强的xQAPS作为电解质并在阳极催化层中添加适量PTFE疏水剂,在60oC和100%相对湿度的条件下,280 mA·cm-2电流密度时,电池最高功率密度达132 mW·cm-2.

用交互氢泵法的聚合物电解质燃料电池堆-30℃启动

为了在温带、寒带地区推广燃料电池汽车,研究了含20片单体电池、活性面积为285 cm2的石墨基双极板聚合物电解质燃料电池短堆的零下启动。开发了基于实车的使用交互氢泵的电源系统;对短堆阳极和阴极同时供应氢气;用低温环境舱来构建-30℃环境;以起始膜—水(分子数)含量、交互电幅值及频率等作为3个控制参数,实现燃料电池短堆-30℃启动;测试了短堆零下启动前后的极化曲线。结果表明:燃料电池短堆-30℃启动后,中心位置的单体电池可在80 s内温升至0℃;在其余位置,可在200 s内温升至0℃;零下启动前后的极化性能基本无衰减。

聚合物电解质燃料电池中Nafion离子复合膜特性研究

研究了在ePTFE基材上吸附Nation离子溶液制成的复合聚合物电解质膜的单电池特性,透气性,水合作用和水的迁移性能。复合膜的透气性比Nafion112高,但足并未因此降低电池性能,同时可以看到电池性能在膜厚度降低时得到提高。复合膜的水合作用和水的迁移性能与基材土Nafion的担量及膜的厚度有关,随担量的增加而提高,随温度的变化速率大于Nafion112。

固体氧化物燃料电池电解质发展现状

将固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)的工作温度降低到600~800℃的中温甚至600℃以下的低温区域,是固体氧化物燃料电池未来发展的重要方向。开发在低温下具有高离子电导率的电解质对其发展起着重要作用,而传统的三层电解质在结构上有着不可避免的弊端,只通过电解质材料的开发无法从根本上解决电解质与阴极、阳极之间的界面对固体氧化物燃料电池的性能影响。针对这个问题,研究者们通过对固体氧化物燃料电池结构以及功能层材料的设计,开发出了新型无电解质燃料电池(electrolyte free fuel cell,EFFC)。概述了以氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、掺杂CeO_(2)、掺杂LaGaO_(3)等作为电解质的传统三层SOFC电解质的发展历程,并简述了先进薄膜制备技术(电泳沉积、磁控溅射、大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂等)在制备SOFC电解质层中的应用,重点综述了通过能带理论设计的新型EFFC的研究进展,并对采用能带理论及其性质设计的具有电子传导特性的材料作为功能层使用的前景进行了展望。

高温聚合物电解质膜燃料电池催化剂的研究进展

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFCs)是一类将化学能转换为电能的能量转换装置,与传统的低温聚合物膜燃料电池相比具有诸多优势.目前HT-PEMFCs主要是以铂作为催化剂.铂基催化剂对于燃料电池氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)有好的催化活性,但在HT-PEMFCs中通常需要高载量的铂基催化剂,以缓解磷酸在铂表面强吸附对活性表达的限制,其存在成本高、活性不足、长时间运行下活性降低及载体腐蚀等问题.本文总结了最近关于HT-PEMFCs催化剂的研究进展,系统分析了贵金属、非贵金属催化剂在HTPEMFCs中的应用前景,并对现阶段HT-PEMFCs催化剂的发展应用进行了展望.

聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究

聚合物电解质膜燃料电池是绿色环保的能源利用技术,电池内部的水热平衡对电池性能至关重要。通过雾化冷却实验、非持续雾化实验、雾化激活电池实验,探究雾化对聚合物电解质膜燃料电池性能和寿命的影响。结果表明:与不使用雾化相比,100 mL/h的雾化量可以将电池内部平均温度降低10℃;非持性雾化后,在全工作电压范围内的电池性能得到明显提升。与未使用雾化相比,在6.0 V条件下雾化20 min的电池的电流输出增加20%。雾化技术还可以重新激活搁置的电池;雾化协同送风使电池性能几乎重新恢复到出厂前的状态,同时促进了电池高电流输出时的稳定性。电池极限输出功率比出厂前高出约24.9%。

聚合物电解质膜燃料电池电催化剂的进展

评述了近年来聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)电催化剂的进展,其中包括核/壳结构、中空结构等结构及形状可控的Pt基催化剂、非贵金属催化剂及石墨烯、有序介孔碳等新型载体,并对发展前景进行了展望。

聚合物电解质膜燃料电池空气供应系统故障诊断

聚合物电解质膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC)空气供应系统中的故障通常会导致系统性能衰减甚至对电堆造成损害.针对PEMFC空气供应系统的故障诊断问题,提出了一种基于改进的人工蜂群算法(IABC)优化支持向量机(SVM)的故障诊断方法.采用文献中的非线性燃料电池系统模型,并在系统中加入方差为1的高斯噪声.通过引入Levy飞行策略,对标准人工蜂群算法(ABC)进行改进,提高了人工蜂群算法的全局搜索的能力,进而通过改进的人工蜂群算法优化支持向量机的惩罚因子C和核函数参数g,利用优化后的SVM分类器模型对PEMFC空气供应系统进行故障诊断研究.结果表明,该IABC-SVM算法故障诊断的准确率达到96.12%,具有良好的故障诊断效果.

改性磺化聚醚醚酮用作直接甲醇燃料电池聚合物电解质膜

1引言 聚合物电解质膜燃料电池（Polymer electrolyte membrane fuel cell，PEMFC）是一种能直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的电化学装置，具有能量转换效率高、环境友好、比能量高（相对于电池）、操作温度低、启动快的特点，可广泛应用于汽车、电站、移动电源等领域。聚合物电解质膜则是PEMFC中的核心部件，起着分隔燃料和氧化剂、传导离子和绝缘电子的作用，一直以来都是燃料电池研究领域的热点。

聚电解质燃料电池中的质子交换膜研究进展

聚电解质燃料电池(polyelectrolyte fuel cells,PEFCs)是汽车、固定式和便携式应用中极具前途的可清洁发电设备.质子交换膜是PEFCs中的重要组成部分之一.它在电池中起着阻隔燃料、传递质子的作用,其性能的优劣会直接影响PEFCs高效、稳定的运行.本综述主要总结了近20年质子交换膜的发展历程,从PEFCs的工作原理出发,首先引出质子交换膜在PEFCs中的重要作用,然后考察了质子交换膜的结构特点及其应用于PEFCs的传质特性.重点强调了质子交换膜结构对低温PEFCs性能的影响,主要包括全氟质子交换膜、含氟质子交换膜和非氟质子交换膜,以及近期开发的新一代质子交换膜.在低温质子交换膜的基础之上,还针对高温PEFCs介绍了高温质子交换膜的发展和面临的挑战.最后,展望并预测了未来质子交换膜的发展方向.

聚合物电解质膜燃料电池用电催化剂的研究进展

电催化剂是燃料电池的重要组成部分,也是降低燃料电池成本的关键之一。着重于催化机理,综述了近年来国内外聚合物电解质膜燃料电池用电催化剂的最新研究进展。

硼氢化钠在聚合物电解质膜燃料电池中的应用

间接硼氢化钠燃料电池(B-PEMFC)的氢源具有储氢效率高、长期存储稳定、制氢速率可控、水解产物环境友好及副产物偏硼酸钠(NaBO2)可回收利用等优点,但存在硼氢化钠(NaBH4)价格高、水解催化剂寿命短、NaBO2结晶析出和水热管理等问题;直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)具有能量密度和开路电压较高、阳极催化剂价格低以及结构简单的优点,但存在BH4-在阳极水解和渗透的问题。

高温聚合物电解质膜燃料电池大尺寸(200cm^(2))多蛇形流场模拟与优化

以大尺寸(100mm×200mm,200cm^(2))多蛇形流场为研究对象,通过数值模拟和实验的方法探究了阴极多蛇形流场的排布方式对高温聚合物电解质膜燃料电池输出性能的影响。相比于竖向排布多蛇形流场,基于横向排布的多蛇形流场的电池在进气量1.527L/min和电压0.6V时展示出了更高的平均输出电流密度222.78mA/cm^(2)和更均匀的电流密度分布(均一指数为75.3%)。在此基础上,进一步对横向排布流场结构的气体通道数进行了优化。结果表明入口气体通道数的增加可以显著减少流场进出口的压降损失,但电池平均输出电流密度和均一指数也有所降低。其中,9通道横排多蛇形流场有较高的电池性能和较好的电流密度分布均匀性(相对于14通道)和较低的压降损失(相对于6通道),对进一步提高高温聚合物电解质膜燃料电池的性能及稳定性和商业化应用具有指导意义。

催化层掺杂共价有机框架材料提升高温聚电解质膜燃料电池性能

基于磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)高温聚电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)具有环境耐受性好、水热管理简单等优点,被认为是未来PEMFC的发展方向。而减少其运行过程中磷酸电解质的流失是维持HT-PEMFC性能稳定性的关键因素。在本工作中,我们提出在电极催化层中引入一种席夫碱型(SNW-1)共价有机框架(COF)材料的策略来减少膜电极(MEA)中的磷酸流失,从而增强HT-PEMFC的耐久性。由于该COF材料中大量与磷酸分子匹配的微孔和特定的官能团结构,使其不仅拥有优越的磷酸保留能力,而且具有良好的质子传导能力,因此该HT-PEMFC在电池加速老化测试中展现出很好的稳定性。此外,发现在催化层中引入5%–10%的COF材料,可有效提高电极电化学活性面积并降低电池的欧姆内阻和电荷转移电阻,从而可进一步提高HT-PEMFC放电性能。在150℃、氢/空和常压操作条件下,工作电压0.6 V时催化层中添加10%COF材料的电池电流密度达到0.361 A·cm^(−2),较常规电池性能提升30%左右。该工作说明在催化层中掺杂适量COF材料有希望成为提升HT-PEMFC性能和耐久性的一种有效策略。

三维聚合物电解质膜燃料电池中水的输运模拟(英文)

针对新型螺旋形加压聚合物电解质膜燃料电池,提出了一种液态水生成和输运效应的数值模型.该数值模型基于燃料电池的物理机理、流体流动、传热导、多孔介质中的传质、电化学反应、含相变的多相流动、电流输运、多孔介质和固体导电区域中的位势场以及穿过聚合物膜的水的输运设计优化过程.在分析中还使用了燃料电池模型.例如,电化学模型——用于预测局部电流密度和电压分布;位势场模型——用于预测多孔介质以及固体导电区中的电流和电压;多相混合物模型——用于预测在多孔扩散层中的液态水和气体流;薄膜多相模型——用于研究气体流道中的液态水流.最后给出了聚合物电解质膜燃料电池液态水生成和输运的理论模型的数值结果,包括催化层和膜中的H2,O2和H2O的质量和克分子数的等值线图.