超低铂担量质子交换膜燃料电池电极

为了降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)制作成本,必须降低其电极铂担量。中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心制备的电极,铂担量已降到0.08mg/cm2。本文使用循环伏安、扫描电镜、电池评价等方法对这种电极进行了分析、表征,其催化剂利用率可以达到30%,催化层厚度大约为5μm。用这种电极与Nafion112组装的电池,性能可达到750mA/cm2,0.7V     

扩散层成分和含量对PEMFC性能的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的扩散层通常包括碳纸和整平层,在电池结构中起着重要作用。使用BP2000型炭黑作为PEMFC的扩散层,通过试验分析了碳粉含量、碳纸类型和疏水性处理对单电池性能的影响。电池催化层由Nafion溶液和Pt/C催化剂构成。结果表明,TPG-90型碳纸性能较好,其疏水性不影响碳纸的孔隙率。在PEMFC电池的电极制造过程中有必要使用整平层,整平层中BP2000型碳粉的含量以2mg·cm-2为宜。     

质子交换膜燃料电池亲水电极研究

用质量百分比为40%Pt/C Nafion制备了亲水电极,并与Nafion112质子交换膜热压制备了质子交换膜燃料电池膜电极组件.用恒电流极化和电化学阻抗谱研究了电极组分对性能的影响,同时优化了各组分的含量.在碳纸基体和催化剂层之间引入了C/FEP催化剂支撑层,支撑层碳粉的优化载量为0.8 mg/cm2,FEP的优化质量百分含量为40%.电极催化剂层Pt的适宜载量为(0.40±0.05)mg/cm2,Nafion的优化质量百分含量为30%.     

双电层电容器电极制备工艺优化与性能

采用商业超级电容器活性炭,制备了扣式双电层电容器,对其电极制备工艺进行了优化,实验表明:PTFE(质量分数)5%、乙炔黑(质量分数)5%、电极成型压力10MPa、电极载炭量13～26mg/cm2、KOH浓度6mol/L为最佳工艺;在此优化条件下制备的双电层电容器循环性能好,漏电流和自放电较小,大功率下比能量高于当前产品。实验还表明所用活性炭有较多微孔,以致大功率下材料利用率低,有待改善。     

直接甲醇燃料电池无担载阳极制备新方法

提出了一种新的直接甲醇燃料电池(DMFC)无担载阳极制备方法,其特征是先用催化剂前体与聚合物电解质的溶液涂制电极,再将成形的电极中的催化剂前体还原成金属。实验结果表明,新方法所制无担载PtRu电极中Nafion的最佳含量为10%,催化剂的粒度为3～4nm;电极甲醇氧化性能优秀,在90℃、催化剂载量3.7mg/cm2Pt 2mg/cm2Ru、极化电势为0.35V的条件下可获得360mA/cm2的阳极性能。将采用新方法制得的无担载PtRu电极组装成DMFC单电池,在90℃,阴极O2压强为2.02×105Pa的条件下,电池可获得207mW/cm2的输出功率。     

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 Pearls 2000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.     

一体式再生燃料电池双效膜电极的研究

对一体式再生燃料电池双效膜电极进行研究,重点考查了膜电极制备工艺、双效电极催化剂和扩散层材料的影响,并用(SEM)对膜电极表面结构进行表征。结果表明:采用CCM工艺制备的双效复合膜电极表现出优异的燃料电池和水电解双功能特性以及循环稳定性,在燃料电池模式运行时,工作电压为0.708 V@1 000 mA/cm2;水电解模式运行时,工作电压为1.623 V@1 000 mA/cm2,URFC循环运行100 h,电池表现出良好的稳定性。膜电极表面结构和极化特性分析表明:CCM膜电极制备工艺实现了催化层和质子交换膜的一体化,改善了电极与质子交换膜界面稳定性,提高了膜电极的电性能和循环稳定性。IrO2扩散层提高了膜电极在高电解电位下的耐蚀性能,促进了膜电极在循环运行中的稳定性。     

甲醇阳极制备工艺

对甲醇阳极的制备工艺进行了研究。通过对甲醇阳极不同的气体扩散层的研究,得出由碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)形成的气体扩散层制成的电极电池性能最好,气体扩散层中PTFE的最佳含量为20%。通过甲醇阳极横断面的扫描电镜(SEM)与X射线散射图谱(EDS)分析,探讨了气体扩散层影响电池性能的原因。同时对碳纸支持层的影响也进行了研究。阴极空气近于大气压条件下,阳极Pt含量3.5mg/cm2,阴极Pt含量1.6mg/cm2,1mol/L甲醇浓度,电池温度60℃条件下,电池的开路电压为0.66V,0.4V时电池的电流密度为60mA/cm2,0.2V时电流密度为120mA/cm2。     

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。     

CoPc/C催化剂及气体扩散电极的氧还原性能

制备了碳载酞菁钴(CoPc/C)催化剂及气体扩散电极;在酸性介质中,用循环伏安、线性扫描伏安法研究了COPc/C的氧还原性能;考察了催化剂的热处理温度和载量对电极氧还原性能的影响.经700℃热处理的催化剂性能较好,气体扩散电极中催化剂的适宜载量为5 mg/cm2,电极具有良好的耐甲醇性能.交流阻抗谱的模拟结果显示,气体扩散电极的氧还原反应由电荷传递阻抗和电化学吸附阻抗共同决定.     

LiCoO2/AC复合电极作为超级电容器的电极材料

为提高活性炭电极的容量,对活性炭进行掺杂LiCoO2处理,由此制备了复合电极。采用循环伏安、恒流充放电、循环寿命试验、漏电流性能测试等方法对掺杂LiCoO2的复合电极/活性炭混合电容器的性能进行了测试,结果表明掺杂LiCoO2后复合电极/活性炭混合电容器的性能大大提高,当复合电极中LiCoO2的质量分数为70%时,混合电容器的比容量达到最大值,在1.0mA/cm2时比容量达39.55F/g,比未掺杂的活性炭电容器提高50.7%,充放电效率有所提高,且混合电容器的电阻和漏电流较小(8.7mA),经1500次循环后电容量仍保持在83%以上,仍远高于活性炭电容器。     

直接甲醇燃料电池膜电极组件的阳极整平层

通过考察有阳极整平层(sub-layer)的膜电极组件(MEA)的极化曲线、SEM图和内阻等,研究了阳极整平层对直接甲醇燃料电池(DMFC)性能的影响.在表面喷涂Nafion树脂,对整平层进行修饰,发现喷涂Nafion后的整平层与催化层的结合更紧密,提高了电池性能.在静止式DMFC中,以2 mol/L静止甲醇溶液为燃料,有经过修饰的整平层(1.0 mg/cm2)的MEA在常温下的功率密度达到15.3 mW/cm2,放置1 d后仅有1%的衰减.     

高功率密度质子交换膜燃料电池研究

采用低铂载量E TEK电极组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,研究了质子交换膜厚度、电极立体化的聚合物电解质Nafion含量和操作条件对PEMFC性能的影响 ,同时对电池进行了稳定性试验。实验发现 :(1)使用薄膜电解质(Nafion 112 )显著提高了电池性能 ;(2 )电极立体化的Nafion含量为 0 .9mg/cm2 时性能最佳 ;(3)提高电池温度和气体压力有利于改善电池性能 ;(4 )Nafion 112膜和低铂载量E TEK电极组装的PEMFC稳定性良好 ,在 90 0h内未见电池性能下降 ,且质子交换膜和电极之间相互结合良好 ,无断裂或分层现象发生     

电极结构对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用沉积法制备质子交换膜燃料电池电极,研究了电极结构对电池性能的影响。催化层内憎水材料聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）形成憎水孔,为气体传递提供通道,减小传质过电位,但是过多的ＰＴＦＥ将增大电子阻力;催化层内浸入质子导体Ｎａｆｉｏｎ,为质子传递提供通道,增大电化学反应界面,提高催化剂的利用率,但过多的Ｎａｆｉｏｎ将减少气体通道,增大气体传递阻力;同样催化层中催化剂亦有最适值,过少不能满足电极电化学反应的要求,过多将增大气体和质子传递阻力。本文所制的电极在获得最佳电池性能时,催化层内催化剂Ｐｔ为６ｍｇ／ｃｍ２,Ｎａｆｉｏｎ为０．５ｍｇ／ｃｍ２,ＰＴＦＥ为１０％。     

嵌段共聚物对树脂基多孔炭电化学性能的影响

以间苯二酚(R)、甲醛(F)为原料,盐酸作催化剂,通过添加嵌段共聚物F127作致孔剂,利用溶液协同自组装和炭化处理制备多孔炭材料。采用扫描电镜、透射电镜和N2吸附分析不同F127加入量制得的多孔炭材料的形貌和孔隙结构,并利用直流充放电、交流阻抗技术和循环伏安法测定以上述多孔炭材料为电极的双电层电容器(EDLC)的电化学性能。结果表明:酸催化下的酚醛树脂基体网络结构在炭化过程中较好地保留了F127形成的微相结构,不同F127加入量制得的多孔炭材料比表面积在640～700 m2/g。F127/R为1.3时制得的多孔炭材料比表面积为701.2 m2/g,孔容为0.54cm3/g,其中中孔孔容0.362 cm3/g,中孔率达67.04%;在30%KOH电解质溶液中低电流密度(1 mA/cm2)充放电时的比电容为165 F/g,电流密度增大20倍,容量保持率为95%,经过5 000次循环,容量保持率达94%以上,具有良好的大电流充放电性能和循环性能。     

小孔气体扩散电极的放电机理探索

借鉴植物叶片高效传输的机理,以包含规则排列的贯通直孔的镍片作为骨架材料,与自制催化剂组成小孔气体扩散电极,在锌空气电池体系下与常规泡沫镍电极的放电性能进行比较,并考察不同孔径的小孔气体扩散电极之间的放电特征。结果表明,小孔气体扩散电极相比泡沫镍电极存在更好的放电性能,降低了电极在大电流密度工作时的极化过电位。当电流密度在低于1 000 mA/cm2工作时,放电性能与孔径大小成线性关系,孔径为50μm时,放电效率最佳。总结了小孔气体电极相对泡沫镍气体扩散电极放电效率明显改善,并随着孔径变化放电性能呈现尺度效应,内部结构稳定,间歇放电性能变化较小。     

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.     

自激活Zn/AgO电池的电极制备与性能

采用涂膏-压制法制备了快激活Zn电极、AgO电极,研究了粘结剂对电极电性能的影响.锤击实验、SEM、激活时间与放电性能分析表明:以8％ VAE作粘结剂时,制备的Zn电极、AgO电极能承受5.98×104 g加速度的冲击.电极空载激活时间均达8.5 ms,单体电池负载激活时间为76.5 ms,以98.30 mA/cm2的...     

多孔碳电极用于多硫化钠-溴储能电池

研究了多硫化钠-溴(PSB)储能电池用多孔碳电极。电极材料为活性炭、导电炭黑、热塑性聚合物粘结剂,电极采用热压成型方法制备。用多孔炭电极作为电池正负极,系统地探讨了电极组成、活性炭颗粒粒径、造孔剂对电池充放电性能的影响。粘结剂量一定时,导电炭黑、活性炭比例存在最优值。大颗粒活性炭有利于保持电极的机械稳定性。加大造孔剂的量,促进了电极内孔的连通性,电池性能提高。活性炭制得的电极具有较高的电化学活性,在80 ℃、120 mA/cm2放电电流密度时比功率达0.14 W/cm2(1.19 V),可见活性炭是一种高性价比的PSB储能电池电极材料。