PEMFC自增湿技术的研究进展

自增湿技术可以简化质子交换膜燃料电池(PEMFC)的系统,提高比功率,降低成本,促进PEMFC的商业化。从自增湿流场结构、自增湿复合膜、自增湿膜电极(MEA)等方面介绍了自增湿技术的研究现状和发展趋势。     

造孔剂对PEMFC膜电极性能的影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的催化层中加入造孔剂以减小气体反应物的扩散传质阻力。提出了两种新型造孔剂,分别为低分解温度的NH_4HCO_3和高溶解度的(NH_4)_2SO_4。实验结果表明,加入适量的造孔剂NH_4HCO_3,可使膜电极在H2-空气条件下的输出功率获得显著提高;加入适量的造孔剂(NH_4)_2SO_4,可使膜电极大电流工作时的性能得到明显改善。环境扫描电镜(ESEM)的测试结果表明,造孔剂的加入使膜电极催化层的孔结构得到优化,更有利于传质过程的顺利进行和提高催化剂Pt的利用率。     

阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池--水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据.模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律.通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上.建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实.     

微型PEMFC非增湿膜电极的优化

对微型质子交换膜燃料电池(PEMFC)的非增湿膜电极(MEA)制备工艺进行了优化研究.通过对热压条件、催化层组分、扩散层材料及质子交换膜的厚度等的控制,获得了综合优化参数.采用优化后的MEA组装单体微型PEMFC,在常温、常压及反应气体非增湿的条件下,MEA的峰值功率可达0.166 W/cm2,MEA长时间运行性能未见明显衰减.     

质子交换膜燃料电池电极用气体扩散层材料

通过分析质子交换膜燃料电池(PEMFC)电极用气体扩散层的功能特点及性能要求,对几种常用于PEMFC电极中的气体扩散层材料,如碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及炭黑纸等进行了评述,介绍了它们的基底制作工艺及后处理工艺,同时对几种典型的憎水处理方法作了简要的说明。针对各种气体扩散层材料存在的缺陷,指出研究开发具有高性能的气体扩散层材料将有利于改善PEMFC电极的综合性能。     

PEMFC用氢-空自增湿MEA的性能

采用流延法重铸Pt掺杂的Pt-PSFA复合膜,组装了常压氢-空自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC)。通过对催化剂层载量、平整层载量的优化,利用催化剂涂覆膜(CCM)技术制备了性能稳定的自增湿膜电极组件(MEA)。在常压、操作温度为60℃、干燥反应气的条件下,Pt-PSFA复合膜组装的PEMFC的最大功率密度为448 mW/cm2。MEA的活性面积从6.25 cm2增大到25 cm2,PEMFC的性能几乎没有衰减。     

质子交换膜燃料电池阴极面增湿槽道

增湿技术是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术之一。设计了一种阴极面带增湿槽道流场板,增湿槽道中液态水蒸发成气态水透过疏水碳纸向邻近的气体槽道和催化层扩散进行增湿。单电池在电流密度为600mA/cm2工作时,内阻在0.051～0.066Ω·cm2区间波动;表明了采用增湿槽增湿方式达到了良好的增湿效果并实现了电池稳定工作。     

质子交换膜燃料电池的0℃以下耐受性

车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)应具备环境适应性,但水-冰相变会影响膜电极组件(MEA).以-10℃及-20℃到正常操作温度的冰冻-解冻循环模拟实际工况,考察了水结冰对PEMFC性能的影响,结果表明:PEMFC的电化学活性表面积变小,扩散层的孔结构发生了变化,PEMFC的性能衰减.采用干燥N2吹扫、真空排水和RH=58.0%(25℃)的反应气吹扫等3种方法来避免水结冰的影响,发现经过冰冻-解冻循环后,PEMFC的性能均未下降.     

金属离子对质子交换膜燃料电池性能的影响

研究了金属离子对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响.通过将质子交换膜、电极催化层、扩散层(GDL)在模拟电池生成水的离子溶液(Ca2 、Mg2 、Na )中浸泡不同的时间,考察了Nafion NRE-212膜和催化层中氢离子含量、扩散层的接触角,并通过组装电池比较了处理不同时间的膜、催化层压制成电极后的膜电极性能.结合循环伏安技术分析了金属离子对电极催化层的影晌.实验结果表明随着浸泡时间的增加,膜中和催化层中氢离子的浓度都逐渐下降,当膜中H 浓度降为原来的20%以下时,电池几乎不能放电;而催化层中下降为原来的27%时,电极性能却下降不大.说明在相同浓度的金属离子溶液中,催化层中氢离子受金属离子污染程度比膜受污染程度小.     

PEMFC空气膜增湿系统的性能

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和膜增湿器一维性能分析模型,模拟了空气流量、压力和温度等条件对PEM FC及膜增湿器性能的影响,模拟结果与实验数据吻合良好.根据模型对PEMFC膜增湿系统的非稳态性能进行了预测.空气进气温度的动态响应特性对膜内水含量梯度的影响显著,对膜内水的扩散系数几乎无影响.     

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.     

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。     

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。     

直接甲醇燃料电池用催化阻醇MEA的制备

针对直接甲醇燃料电池(DMFC)催化剂活性低和甲醇渗透等问题,利用Pd的催化阻醇性能,以油胺表面活性剂为添加剂,还原Pd络合物,合成基于Pd的催化阻醇纳米材料,并涂覆到质子交换膜上,与阴极、阳极构成四合一复合膜电极组件(MEA).与常规三合一MEA相比,复合MEA的质子电导率更高,甲醇渗透率降低了 20％,电池性能得到...     

质子交换膜燃料电池水管理研究进展

质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)水管理不当会增加内阻阻碍氧还原反应,因此有效的水管理是提高性能和耐久性的关键策略之一。膜脱水、催化剂层溢流、质量传输和流体流动状态等现象会受到流道中水的分布和移动的影响。对PEMFC水管理的关键技术相关文献进行了综述,讨论了改善水管理的各种技术方案,汇总了采用中子成像和电子显微镜等技术对液滴的形成、扩散以及与气体扩散层GDL(gas diffusion layer)的相互作用进行研究的成果。详细分析了采用CFD模型和VOF方法模拟燃料电池微通道中的水滴运动和段塞形成。     

气体扩散层对空气电极寿命的影响

以乙炔黑、60%PTFE乳液为原料,用辊压法制备空气电极的气体扩散层。研究了烧结与未烧结气体扩散层的性能参数及其对空气电极寿命的影响。用压汞分析法和SEM研究了气体扩散层的孔结构及形貌。结果表明:相对未烧结扩散层的空气电极,烧结扩散层的空气电极寿命更长,1 000 h寿命试验中无渗液现象,且性能较好。烧结提高了电极材料的疏水性和孔隙率。烧结后气体扩散层适宜的孔结构为:孔隙率约为70%,平均孔径约为70 nm。     

质子交换膜燃料电池膜电极活化工艺及机理

通过质子交换膜燃料电池膜电极三种活化工艺即恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化的对比研究得出 :强制活化 (包括恒流强制活化和变流强制活化 )优于自然活化 ;在强制活化工艺中 ,变流强制活化优于恒流强制活化 ;而且变流强制活化所用的时间相对于恒流强制活化及恒流自然活化均大大缩短 ,是一种比较好的活化方法 ;膜电极的活化过程不仅仅是一种质子交换膜的加湿过程 ,而且是一个包括电子、质子、气体和水的传输通道的建立以及电极结构的优化的复杂过程。     

质子交换膜燃料电池及系统建模的研究与进展

对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行数学模拟,有助于了解电池内部的物理化学过程,为进一步优化电池结构、尺寸和操作条件提供参考。详细介绍了目前PEMFC关于质子交换膜、电极、单电池,电池组和系统四个尺度上的建模现状,并指出了现有模型的优缺点。主要讨论:(1)全氟磺酸膜反胶束离子簇模型,微观尺度上膜的传递机理;(2)电极内传质、传热过程,分析各种电极模型的有效性; (3)水在膜内的传递现象,表明控制适当的水分布对提高电池性能非常重要;(4)单电池模拟过程中对热平衡和水平衡同时考虑。最后,分析了质子交换膜燃料电池建模的发展方向。