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.

碱性燃料电池研究进展

由于CO2对碱性燃料电池(AFC)电极催化剂具有毒化作用,使AFC难以运用于以空气为氧化性气体的交通工具中。研究表明:CO2的毒化作用可通过多种方式加以解决。综述了AFC的研究进展,阐述了解决CO2毒化作用的方法,并提出了使用氨作为AFC燃料的发展方向。

碱性甲醇燃料电池用季铵化PPEK膜的研究

聚合物碱性甲醇燃料电池是一种正在兴起的移动电源,氢氧根离子交换膜是碱性甲醇燃料电池的关键材料题之一。从聚二氮杂萘酮醚酮(PPEK)出发,依次采用氯甲基化、溶液法流延成型、三甲胺季铵化和KOH溶液处理等方法,制备了季铵碱型的聚二氮杂萘酮醚酮(QPPEK-OH)电解质膜,测定了膜的电导率和甲醇渗透性。研究发现,每个重复链节中平均含有1.3个季铵碱离子的聚二氮杂萘酮醚酮膜,导电率和甲醇的渗透系数分别为1.14×10-2S/cm和6.57×10-7cm2/s。

碱性燃料电池产过氧化氢阴极C/PTFE的制备及性能表征

研究了碱性燃料电池合成过氧化氢阴极碳/聚四氟乙烯(C/PTFE)的制备方法,考察了制备过程中的主要影响因素,并通过伏安曲线和过氧化氢浓度曲线及交流阻抗图谱,对不同条件下制备的阴极性能进行了评价.结果表明,压力、整平层碳含量及聚四氟乙烯含量对阴极性能均有较大影响,其中压力为10.0MPa、碳含量为0.2g及聚四氟乙烯含量为50%条件下制备的阴极能获得最大电流,过氧化氢的产量最高,2.5h后过氧化氢浓度达到56mmol/L。

碱性燃料电池产过氧化氢的外部影响因素

以持续注入的KOH水溶液为电解质,在燃料电池反应器中进行了H2O2合成工艺研究.结果表明,KOH溶液浓度及流量、H2O,O2和H2流量对电池电流、H2O2浓度和电流效率等均有较大影响.其中KOH浓度为2mol/L,H2O,KOH和O2,H2的流量分别为80,150mL/h和60,20mL/min时,反应体系获得了较高的H2O2产量(0.225mol/L)和电流效率(接近100%),可望应用于水中污染物的处理.

金属双极板在模拟直接甲醇碱性燃料电池环境中的电化学行为

直接甲醇碱性燃料电池(DMAFC)由于采用了碱性电解质膜,许多在酸性介质中无法使用的非铂金属成为可选的催化剂已经引起了大家的普遍关注。双极板,特别是金属双极板作为DMAFC中一个关键材料对电池的输出性能起着重要的作用,其腐蚀性的大小决定了燃料电池的使用寿命长短。迄今为止,金属双极板在DMAFC中的研究国内外少见报道。本文对比研究了不锈钢316L和石墨作为双极板在模拟DMAFC中的电化学性能。动电位和电化学阻抗谱分析结果表明:不锈钢316L腐蚀电流低于石墨,其极化电阻明显高于石墨,恒电位实验结果与Tafel曲线分析结果一致,验证了动电位和电化学阻抗谱的实验结果。说明在碱性环境中,金属双极板与电解质溶液之间的反应活性比石墨双极板低,为拓宽不锈钢316L在DMAFC的应用奠定了理论基础。

碱性燃料电池氧电极的研究——助催化剂的添加对Ag/C催化剂活性的影响

本文报道了一种新的用于碱性燃料电池氧电极的非贵金属催化剂．此种以化学还原法制备的Ａｇ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｈｇ－／Ｃ催化剂对氧电极的阴极还原具有较高的活性，当催化剂的组成为Ａｇ５０％－Ｎｉ２％－Ｂｉ３％－Ｈｇ３％－Ｃ４２％（ｗｔ％）时，催化剂的活性最佳．ＸＲＤ和ＳＥＭ证实，助催化剂的加入使银的结晶趋于无定型化，减小了银结晶的尺寸．经过５２００ｈ的寿命考察，催化剂活性没有明显的改变．

碱性燃料电池氧电极的研究——Ni,Bi,Hg 对 Ag/C 催化剂活性的影响

报道了一种新的碱性燃料电池氧电极的非贵金属催化剂。这种用化学还原法制备的Ａｇ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｈｇ／Ｃ催化剂对氧的阴极还原具有较高的活性。助催化剂Ｎｉ，Ｂｉ，Ｈｇ可以显著提高Ａｇ／Ｃ催化剂的活性，ＸＲＤ证实，助催化剂的加入使银的结晶趋于非晶态化，减小了银结晶的尺寸。经过５２００ｈ的寿命考察，催化剂活性没有明显的改变。

氮/硫双杂化非贵金属碱性阴离子膜燃料电池阴极非铂催化剂

以吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)作为碳载过渡金属催化剂的掺杂剂,经溶剂分散及600℃热处理制备了一种高效催化氧还原反应(ORR)的碳载双杂化过渡金属催化剂(Fe-N/C-TsOH-600).利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的结构进行表征.运用旋转圆盘电极(RDE)技术研究了该催化剂在碱性介质中催化氧还原的电化学催化活性和稳定性,探讨了不同浓度甲醇溶液对Fe-N/C-TsOH-600催化剂催化氧还原活性的影响.结果表明,以Fe-N/C-TsOH-600制备的气体扩散电极在0.1 mol/L KOH电解质溶液中对氧具有很高的选择催化还原活性和稳定性.当电极经过4800圈循环伏安(CV)扫描测试后,催化剂催化氧还原的性能基本保持稳定,并以4电子途径将氧气催化还原.此外,研究还发现,Fe-N/C-TsOH-600在混有甲醇的碱性电解质溶液中对氧的催化还原选择性比商业Pt/C催化剂高.XPS结果表明,吡咯氮是催化剂高效催化氧还原的主要活性中心,提供氧还原的活性位,而TsOH作为供硫掺杂剂对提高催化剂的活性具有重要作用,其加入后形成的C—S—C有利于催化剂催化氧还原活性的提高,从而使该催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性.

碱性醇类燃料电池新型催化剂的研究

用交替微波加热法快速制备CeO2/C复合材料,进而制备Pt-CeO2/C。用电化学方法研究了甲醇、乙醇、甘油和乙二醇在KOH溶液中在Pt/C或Pt-CeO2/C电极上的电化学氧化性能。结果显示负载在碳粉上的Pt和Pt-CeO2催化剂对四种醇的电化学氧化具有较高的活性。而Pt-CeO2/C催化剂与Pt/C催化剂相比表现了更好的活性和更强的抗毒化能力。

碱性燃料电池用阴离子交换膜的制备与表征

以PTFE多孔膜为基体,以聚环氧氯丙烷(PECH)和四甲基己二胺(TMHDA)为原料,采用流延法制备QPECH/PTFE复合阴离子交换膜。对复合阴离子交换膜的微观形貌、热稳定性、离子交换容量、离子传导率以及膜电极性能进行表征。结果表明:复合阴离子交换膜热稳定性得到增强,离子交换容量为1.51 mmol/g,离子传导率可达1.02×10-2S/cm;在H2/O2碱性燃料电池中表现出较好的电化学性能,开路电压为1.003 V,最大功率密度为16.4 mW/cm2。

碱性燃料电池氧电极的研究——制备条件对 Ag-Ni-Bi-Hg/C 催化剂活性的影响

我们的研究表明，Ａｇ－Ｎｉ－Ｂｉ－Ｈｇ／Ｃ催化剂对碱性燃料电池中氧的阴极还原具有较高的活性。本文对上述催化剂的制备条件进行了研究。结果表明，还原剂的选择和搅拌强度对催化剂的活性有明显影响，与硼氢化钾和葡萄糖相比，甲醛是一种优良的制备银催化剂的还原剂；ＸＲＤ（Ｘ射线衍射分析）和ＳＥＭ（扫描电镜分析）证实提高搅拌强度可以使银的结晶趋于无定型化，并使银结晶粒度减小。用此化学还原法制得的催化剂其性能具有良好的重现性。

一种直接葡萄糖-空气碱性燃料电池的构建和表征

介绍了一种以葡萄糖为燃料的碱性直接燃料电池,它不需要贵金属催化剂、酶或者微生物就能直接把化学能转换成电能。这种单室燃料电池,在碱性溶液中以甲基紫精(MV)作为电子传递体,用泡沫镍作为阳极,空气扩散电极作为阴极。利用1 mol/L葡萄糖作为燃料,在3 mol/L KOH、10 mmol/L MV条件下构建的燃料电池,其最大功率密度为0.59mW/cm2,最大开路电压为0.65 V,最大电流密度为4.16 mA/cm2。该直接葡萄糖燃料电池,构建成本低廉,但性能优于目前已报道的以酶或微生物为催化剂的葡萄糖燃料电池,因而有望推动生物燃料电池的商业化应用。

氮掺杂石墨烯用于碱性燃料电池产过氧化氢

以天然石墨(G)为原料,苯胺为含氮前驱体,采用Hummers法、原位引发苯胺聚合以及在氮气中高温热处理制备了氮掺杂石墨烯(N-G)。借助X射线衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、低温氮气吸脱附(BET)、热分析方法(TG-DSC)和电化学测试等手段对N-G的组成、结构、形貌和电化学性能等进行表征分析和评价。结果表明,在氮气中高温热处理聚苯胺修饰的氧化石墨烯(GO)能够有效地对其进行还原和氮掺杂,获得的N-G具有微孔结构,比表面积达到167.6 m^2/g,显示出高的热稳定性;在三电极体系中,N-G在0.1 mol/L KOH中催化氧气还原反应(ORR)的起始电势为0.89 V,主要以2电子反应途径进行,生成H_2O_2的选择性达到75%~95%,并且产生的电流密度较大。

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEMFC)因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题.作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料.为此,大量研究被开展和报道.本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展:包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等.尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.

碱性甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展

综述了直接碱性甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展．由于采用碱性电解质,甲醇电化学氧化催化剂的选择可不再受只有铂才会表现较高的电催化活性的限制．指出了研究比较多的非铂催化剂Au,Pd,Ni和钙钛矿型稀土氧化物的研究机理,为进一步发展新型催化剂提供了新方向．

碱性燃料电池中氢电极催化剂的研究

Ｐｔ是燃料电池中氢氧化所常用的一种催化剂。为了提高Ｐｔ的利用率，充分发挥Ｐｔ的催化性能，制备出高度分散、载量低的Ｐｔ／Ｃ催化剂。研究了Ｐｄ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｌａ对Ｐｔ／Ｃ催化剂的影响，并以各种催化剂制备成电极，测量了电极的极化曲线。发现Ｐｔ－Ｎｉ－Ｌａ／Ｃ是一种很好的氢电极催化剂。

非贵金属催化碱性硫离子-空气燃料电池

以碱性硫离子电解液作为阳极燃料构建了硫离子-氧气燃料电池体系,采用粉末活性炭材料制备了涂膏电极,将碱性硫化钠溶液作为阳极燃料,通过建立电化学三电极模型对电极在碱性硫离子溶液中的放电性能进行研究,主要考察了硫离子浓度、体系温度对开路电位以及放电平台的影响。电极在碱性硫离子溶液中具有较负的开路电位和稳定的放电平台;通过单体电池测试在0.24V电压下获得11mW/cm2的最大功率密度,此时电池的电流密度为46mA/cm2,证明碱性硫离子燃料电池在阳极不使用贵金属催化剂的情况下表现出良好的放电性能,是一种具有潜在研究价值和广泛应用前景的电化学体系。

碱性燃料蓄电池的发展现状

碱性燃料蓄电池作为未来汽车的动力 ,具有很广阔的发展前景。概述了碱性燃料蓄电池的工作原理 ,并给出了氨氢 -氧燃料蓄电池系统的设计流程图及澳大利亚Graz工程大学研制的由微机控制小批量生产的新型电极的喷涂流程图 ,供读者了解。

碱性电解质膜直接甲醇燃料电池

碱性电解质膜直接甲醇燃料电池 (AEMDMFC)由于采用了碱性体系 ,阴阳极的电催化性能大幅提高 ,许多在强酸介质中无法使用的非铂金属和氧化物成为可选的催化剂 ,电渗方向的改变也抑制了甲醇从阳极向阴极的穿透。这些优点使AEMDMFC有望解决长期困扰质子交换膜直接甲醇燃料电池 (PEMDMFC)的难题 ,不过AEMDMFC阳极区电解质碳酸化所引起的热力学电压Q损失也是不容忽视的。论述了AEMDMFC的特征 ,分析了其热力学上的缺点和动力学方面的优势 。