质子交换膜燃料电池的阳极分析与优化

以聚集体模型描述催化层结构,自由堆积球模型计算催化层的有效质子和电子传导率,建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维稳态数学模型,目的是研究阳极结构和工作条件的优化。模型方程涉及气体传输、质子和电子传导以及电化学反应等过程。一致的实验数据和模拟结果验证了模型的有效性。计算结果表明,阳极气体中的水含量在一定范围内会通过膜电导率影响燃料电池性能;阳极扩散层厚度和孔率等对燃料电池无明显作用;阳极催化层中过低或过高的电解质含量会恶化PEMFC的极化行为;阳极催化层的催化剂载量还有进一步降低的潜力。     

固体氧化物燃料电池阳极结构研究进展

概述了有关固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极结构研究的进展,探讨了阳极的组成材料、孔隙率、孔的微观结构、多层结构以及界面性质等因素对SOFC性能的影响。分析了多孔阳极的微观结构,指出各向异性的孔状结构会损害阳极性能。总结了阳极材料制备工艺参数对阳极孔隙率的影响。比较了近年来开发的几种多层阳极并指出其结构特点以及制备工艺的难点。介绍了加入混合导体层来改善SOFC电极/电解质界面性质的方法。     

PEMFC气体扩散层中液态水传输实验研究综述

质子交换膜燃料电池气体扩散层中的液态水对于电池的运行和性能有显著的影响。为了提高电池性能,有必要对气体扩散层中液态水的传输进行深入研究。对质子交换膜燃料电池的组成、工作原理进行了阐述,对质子交换膜燃料电池气体扩散层中液态水传输的实验研究(包括传输机制和影响因素)做了较为全面的综述,并对研究结果进行了总结。     

封装力对PEM燃料电池气体扩散层孔隙率的影响

质子交换膜(PEM)燃料电池中气体扩散层(GDL)的孔隙率对整个燃料电池的性能有着重要影响,而封装力是影响燃料电池GDL孔隙率的关键因素之一。采用实验和有限元模拟相结合的方法研究封装力对气体扩散层孔隙率的影响。利用压汞仪测试气体扩散层的平均孔隙率,基于有限元方法建立质子交换膜燃料电池的双极板和气体扩散层的接触模型,研究质子交换膜燃料电池中不同的封装力下气体扩散层的孔隙率变化情况。结果表明:气体扩散层孔隙率的变化沿接触中心线左右对称,接触区域孔隙率分布较为均匀,随着封装力的增加,气体扩散层孔隙率逐渐降低;而未接触区域孔隙率变化不明显。气体扩散层孔隙率有限元模拟结果与实验测试结果相吻合。     

气体扩散层性能参数测量方法研究进展

扩散层作为气体、水、电子的三相通道,是燃料电池十分重要的组件之一。对扩散层物理参数进行准确测量并改进,使之适应燃料电池的运行是十分重要的;阐述了气体扩散层的一些物理参数(接触电阻、电导率、孔结构、疏水性)的测量方法。     

固体氧化物燃料电池集流层厚度优化

针对电解质支撑固体氧化物燃料电池(SOFC),建立了一个较为全面的二维数学模型,考虑了相互依存的离子导电过程、电子导电过程以及气体输运过程,研究了孔隙率和电极集流层厚度对电池性能的影响。结果表明:电池的输出电流密度强烈依赖于电极集流层厚度,合适的阳极集流层厚度应在20~60μm,合适的阴极集流层厚度应在250~300μm。     

炭黑及聚四氟乙烯对气体扩散层性能的影响

气体扩散层作为质子交换膜燃料电池重要部件之一,为电极反应提供气体、电子和水的三相通道.炭黑载量以及聚四氟乙烯(PTFE)作为气体扩散层中的重要组分,其含量直接影响气体扩散层中微孔层的厚度、孔结构、电导率,从而对气体扩散层性能产生重要影响.对炭粉以及PTFE的含量对气体扩散层性能的影响进行了综述,认为不同工况对质子交换膜...     

ZrO2基固体氧化物燃料电池中电荷输运研究

分析了以甲烷为燃料气体、空气为氧化气体的固体氧化物燃料电池中电子、氧离子在电池的阴极、阳极和电解质中的输运过程以及电子导电型电极有效反应区结构.具体研究了Pt|YSZ|Ag固体氧化物燃料电池(SOFC)的输出功率与电池运行温度的关系并与实验结果进行了对照,探讨了燃料电池中的主要电荷输运过程与电极有效反应区结构的关系以及它们对电池性能的影响因素.研究表明:在固体氧化物燃料电池中,电解质/电极/气体所形成的三相界面的结构、电极本身的导电性能和运行温度都直接影响电池的性能.     

直接甲醇燃料电池双催化层阳极的稳定性研究

主要研究了双催化层阳极的稳定性,考察了直接甲醇燃料电池(DMFC)在623h寿命测试过程中的运行规律和性能衰退因素,探索了恢复电极性能或缓解电极性能衰退的方法。结果表明,对阳极催化层进行电位扫描(Potentialsweep),可以氧化去除催化剂表面的吸附物种,一定程度上恢复电极性能或缓解电极性能衰退过程。电池寿命测试及扫描电子显微镜(SEM)和能量散射X射线谱(EDX)分析结果说明双催化层阳极结构具有良好的稳定性。     

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。     

10 years of materials research for solid oxide fuel cells at forschungszentrum jülich

In 1995 a fuel cell program was established at Forschungszentrum Jülich (FZJ) to combine various and independently existing activities on generic fuel cell research. As of this year, the materials development as well as the component manufacturing was focused on anode-supported cells. This contribution reviews the investigations on many materials and the fabrication processes applied for anode substrates, anodes, electrolytes and cathodes. Continuous effort on each of the components resulted in a steady progress in quality, size and performance of the solid oxide fuel cells (SOFCs). The electrochemical performance of anode-supported cells (ASC) with “conventional” electroceramic materials like lanthanum manganite as cathode, yttria-stabilized zirconia (YSZ) as electrolyte and a NiO/YSZ composite as anode and anode substrate was improved from about 0.15 W/cm² at 800^∘C to 1.2 W/cm² by optimization of processing and microstructure. Considering new perovskite materials like lanthanum cobaltite/ferrite as cathode, a power density of 1.4–1.7 W/cm² has been obtained. In addition to these strongly focused activities on ASC, FZJ has carried out R + D projects together with industrial companies for the planar and tubular electrolyte-supported cell systems (Siemens, Dornier). This review, however, also discusses efforts that were less successful for anode-supported SOFCs. As examples are mentioned here the lanthanum gallates as electrolyte materials or low-cost NiO/Al₂O₃ substrates, which are not dimensionally stable in fuel gas atmosphere.     

燃料电池用碳材料的研究进展

碳材料因其具有独特的物化性能以及各异的形态而成为电池部件的重要原材料,广泛应用于燃料电池中。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例,介绍了燃料电池中电极基质、双极板、担体碳和贮氢碳材料的研究进展。涉及燃料电池电极基质和双极板的制备工艺与性能,以及催化剂担体碳的不同粒度、聚集形态对催化剂活性的影响。并对纳米碳贮氢材料在燃料电池方面的研究应用做了简单的评述。     

微生物燃料电池电极材料的研究进展

微生物燃料电（Microbial fuel cell,MFC）的研究在近几年获得了快速发展。微生物燃料电池的研究与应用开发涉及到从微生物、电化学到材料学和环境工程等科学领域。简要介绍了MFC的工作原理和电子传递机制;着重叙述了微生物燃料电池阳极材料的研究进展;最后展望了微生物燃料电池的研究和应用前景。     

固体氧化物燃料电池多孔支撑结构内传递现象研究综述

针对新型的集成板式固体氧化物燃料电池多孔阳极结构,总结了其中反应气的能量、组份和质量传递的新特点,包括燃料气输运通道和多孔支撑复合结构的多尺度效应、以及化学反应和物理扩散对控制方程的耦合影响等。在文献综述的基础上,围绕固体氧化物燃料电池内部反应气体传递过程,阐述需要进一步深入探讨的基础问题。     

燃料电池冰点以下低温特性研究现状

在冰点温度以下的启动问题是制约质子交换膜燃料电池产业化的技术瓶颈之一.从冷启动行为与性能衰减和恢复、低温下膜中水形态、催化层电化学性能损失、扩散层、微孔层、电极孔结构破坏等方面评述了低温操作和冷启动对燃料电池电极材料、膜电极组件和电池组性能的负面影响,并对燃料电池的冷启动解决方案和防冻措施进行了分析与评价.     

Pt与PtRu催化剂上甲醇氧化反应的红外光谱

采用热分解方法,利用氯铂酸和三氯化钌为原材料在特定条件下制作了直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极PtRu催化剂,这种催化剂被制作成薄膜型均匀附着在特制的圆形钛金属反射电极上,为PtRu/Ti电极.为了与该新型电极作比较性研究,同样采用了热分解方法利用氯铂酸为原材料使用同样的制作条件制作了Pt催化剂,这种催化剂也被制作成薄膜型均匀附着在特制的圆形钛金属反射电极上,为Pt/Ti电极.利用在线傅里叶变换红外(FTIR)光谱对Pt和PtRu催化剂上甲醇氧化的反应机理作了研究.结果表明该PtRu催化剂对甲醇氧化生成CO2起着显著的促进作用,并随反应温度的升高而加速.     

质子交换膜燃料电池极限电流密度分析

从分子运动理论出发,考虑扩散层对传质影响,按照扩散规律,建立一定的模型,对氢氧质子交换膜燃料电池的阴极和阳极极限电流进行了理论研究和具体计算。结果表明：极限电流都随扩散层厚度的增加而显著下降。在温度为60℃、压强为1个标准大气压的标准状态下,扩散层厚度为零时,氢气和氧气的极限电流密度最大分别为2.18×10^5A/cm^2与5.45×10^4A/cm^2;当扩散层厚度为0.2mm时,极限电流密度分别降至1.5×10^3A/cm^2和2.2×10^2A/cm^2。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。