直接二甲醚燃料电池性能的初步研究

研究了阳极催化剂及电解质膜对直接二甲醚燃料电池(DDFC)性能的影响,并与直接甲醇燃料电池(DMFC)进行了比较.在低电压区,以Pt/C为阳极催化剂的DDFC性能较好;在高电压区,Pt-Ru/C的催化行为更好.DDFC的开路电压随着Nafion膜的增厚而升高,使用Nafion115膜的DDFC最大功率密度为46 mW/cm2.在低电流密度区,DDFC的性能优于DMFC;在高电流密度区,DMFC的性能较好,DDFC的最大功率密度约为相同条件下DMFC的84%     

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.     

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.     

液体进料直接甲醇燃料电池工况的匹配及优化

研究阴极氧气加湿、预热及电池放置方式对直接甲醇燃料电池(DMFC)性能的影响。电化学阻抗谱(EIS)测试结果显示:氧气加湿使电池内阻降低10.3%,改善了低温运行时的电池性能;在较高温度下,氧气加湿导致阴极出现水淹,降低了电池性能;氧气预热在保证阴极温度平衡的同时,避免了产物水分遇冷凝结,改善了阴极的传质性能,电池的功率密度在55℃时从46.70 mW/cm2提高到52.48 mW/cm2;运行温度越高,氧气预热对性能的改善越显著。设计了4种进料方式,其中垂直进料方式使CO2最易排出、甲醇渗透最少,甲醇流速较低时可得到最高的功率密度(54.13 mW/cm2)。     

质子交换膜燃料电池用SPTFS/PTFE复合膜研究

将磺化聚α,β,β 三氟苯乙烯(SPTFS)树脂浸入到多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜的孔中,制成SPTFS/PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。与均质膜相比通过这种复合方法降低了膜的吸水率。复合膜的电导率在10-2S/cm范围。在80℃,p(H2)/p(O2)压力比为0.2MPa/0.2MPa条件下,用复合膜组装的电池性能与Nafion 115膜组装的电池性能进行了比较。复合膜组装的电池在0.5V时的电流密度(1200mA/cm2)大于Nafion 115膜的(1000mA/cm2);在低电流密度区(小于700mA/cm2),复合膜性能低于Nafion 115膜;在高电流密度区(大于1000mA/cm2),复合膜性能明显高于Nafion 115膜。     

用微机电系统技术制作微质子交换膜燃料电池

采用微机电系统(MEMS)技术,在n型单晶硅片衬底上制作微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)的流场板,并用电子扫描电镜(SEM)观察其表面形貌。将它与用Nafion1135质子交换膜以传统热压方法制备的膜电极组装成H2/空气自呼吸式"PEMFC,该电池的体积为0.28mL,质量不足0.65g。用电化学阻抗谱(EIS)测量了电池装配压缩比与内阻的关系,结果表明:在常温常压下,当压缩比!2%时,随压缩比增加,电池内阻减小,功率性能提高显著;当压缩比为2%时,电池功率性能最好,其峰值比功率约为83mW/cm2;而当压缩比"2%时,这种变化不显著。     

Nafion膜厚度对直接甲醇燃料电池性能的影响

采用Nafion 112、Nafion 115和Nafion 117膜作为电解质组装直接甲醇燃料电池 ,通过测量电池的极化曲线 ,研究了Nafion膜厚度对直接甲醇燃料电池性能的影响。结果表明 :在放电情况下 ,电极和工作条件固定的直接甲醇电池的性能是由甲醇的渗透量和膜电导共同控制的。在低电流密度下 ,甲醇的渗透量是影响电池性能的主要因素 ,使用厚膜组装的电池表现出了更好的性能。而在高电流密度时 ,甲醇渗透量减小 ,膜电导成为主要因素 ,所以使用薄膜组装的电池性能较好。由Nafion 112膜组装的电池在 75℃、1mol/L甲醇浓度、0 .2MPa的氧气条件下 ,功率密度可达 12 0mW /cm2 。考察了电池短期运转 (4 0h)的稳定性。     

磺化聚醚醚酮/Nafion复合质子交换膜的制备及性能

以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为原料,采用静电纺丝技术制备了SPEEK/Nafion复合膜(SP/NF),并采用热喷涂法在SP/NF膜上喷涂Nafion溶液制备了SPEEK/Nafion/Nafion复合膜(SP/NF/NF)。通过扫描电镜测试及红外光谱测试等方法对膜的物理结构进行了表征,同时测试了膜的吸水率、离子交换容量及质子传导率,并将复合膜组装成单电池测试了电池性能。结果表明,SP/NF/NF复合膜的质子传导率及单电池测试的最高功率密度均高于Nafion 212膜,且复合膜的成本低于Nafion膜,显示了其作为质子交换膜应用于燃料电池系统的潜能。     

磺化皂土改性直接甲醇燃料电池用Nafion膜

以磺化皂土和正硅酸乙酯(TEOS)为掺杂物,采用溶胶-凝胶法掺杂改性Nafion 212膜,并制成膜电极组件(MEA)。通过计时电流、交流阻抗等测试,研究了Nafion 212膜改性前后的甲醇渗透系数、质子电导率及电池功率密度等。改性后的Nafion 212膜,甲醇渗透系数比改性前降低了86%,质子导电率达到69.6 mS/cm;单体电池性能和甲醇渗透电流测试发现:改性膜制备的MEA的甲醇渗透电流密度在30℃和55℃时分别比改性前降低67.7 mA/cm2和61.5 mA/cm2。     

质子交换膜燃料电池用 Nafion/SiO2复合膜

采用溶胶-凝胶法以TEOS(正硅酸乙酯)和商业化的Nafion115膜为原料制备了Nafion115/SiO2复合膜。在Nafion膜的酸性介质中,TEOS水解聚合得到SiO2以及含有羟基和乙氧基的硅烷混合物,从而形成Nafion115/SiO2复合膜。将Nafion115/SiO2复合膜与电极组装成MEA,在110℃和130℃的电池温度下评价电池性能。在电池温度为130℃、操作压力为0.25MPa、电池电压为0.7V时,使用Nafion115/SiO2复合膜得到的电流密度是使用Nafion115膜电流密度的1.9倍。     

被动式DMFC的性能

研制了两只单体电池串联的被动式直接甲醇燃料电池(DMFC),无外部泵等辅助设施.考察了甲醇的浓度和温度、空气提供方式对单体电池性能的影响及单体电池的长期运行性能.单体电池在室-温(25℃)下,贵金属载量为2.5mg/cm2、甲醇浓度为3mol/L时,性能最佳,峰值功率密度可达10mW/cm2.提高甲醇温度和采用流动的空气,可提高电池的性能.单体电池在无水热管理系统、100mA放电的条件下,可在室温下连续、稳定地工作4h.     

DMFC放电模式与性能稳定性研究

不同放电模式下CO2气体传质对催化层结构稳定性和催化剂电化学稳定性的影响,导致在较长时间运行中直接甲醇燃料电池(DMFC)性能稳定性的不同。DMFC的性能在恒压放电模式下比恒流模式、恒功率放电模式下更稳定。用恒压不间断放电模式进行寿命测试后,电池的输出功率密度减至初始值的15.08%,采用循环伏安法除去阴极催化剂上的吸附物,可部分恢复电池性能。电化学阻抗谱(EIS)分析表明:性能不可逆衰减的主要原因是阳极催化层结构的破坏。     

质子交换膜燃料电池用g-C_3N_4/Nafion复合膜的制备与性能

合成了石墨相碳氮纳米片(g-C_3N_4),并将其与Nafion树脂共混制备了复合膜,发现在膜中加入适量的g-C_3N_4对提高膜的电导率有显著效果,当膜中g-C_3N_4含量为Nafion树脂质量的0.25%时,膜在30℃下的电导率从0.074 3S/cm上升到0.110 6 S/cm,这主要是由于纳米片上的碱性基团与树脂上的磺酸根形成了酸碱对,加快了质子传输。将商业化Nafion 211膜与复合膜分别组装成单电池进行性能测试,结果表明,使用复合膜组装成的单电池的最大功率较Nafion 211膜组装成的单电池提高了16.9%,且通过交流阻抗测试(EIS)发现复合膜的电阻明显小于Nafion 211膜,进一步证实了g-C3N4改性Nafion膜的有效性与可行性。     

30 kW高比功率质子交换膜燃料电池堆研制

30 kW高功率密度质子交换膜燃料电池堆的研制工作主要包括:(1)建立测试大功率质子交换膜燃料电池单电池或电池堆的工作站;(2)大功率高比功率质子交换膜燃料电池堆的工程设计;(3)组装单电池 ,建立诊断、测试并改进质子交换膜-电极(三合一体)效能的技术;(4)组装30 kW电池堆,并建立诊断、测试、改进其效能的技术.神力公司研制成功的30 kW质子交换膜燃料电池堆比功率达到:720 W/L,708 W/kg.     

直接甲醇燃料电池膜电极电化学性能影响因素

研究了温度、Nafion膜类型、甲醇浓度和甲醇流量对直接甲醇燃料电池 (DMFC)膜电极 (MEA )电化学性能的影响。甲醇流量的改变几乎不影响膜电极性能 ,而温度、Nafion膜类型和甲醇浓度对膜电极电化学性能有明显影响。在阴极为常压空气的条件下 ,本实验得到的MEA的最佳运行参数为 :t=60℃ ,聚合物电解质为Nafion 117膜 ,甲醇浓度为 1mol/L ,甲醇流量为 1ml/min或 6ml/min。     

PWA-d-PVA/PVDF膜在直接甲醇燃料电池中的应用

研究了磷钨酸掺杂的聚乙烯醇/聚偏氟乙烯(PWA-d-PVA/PVDF)质子交换膜在直接甲醇燃料电池中的性能。采用热压法将PWA-d-PVA/PVDF膜和分别涂有Pt-Ru/C与Pt/C的碳纸压制成膜电极,并组装成电池测试其性能,电池阳极通入不同浓度的甲醇水溶液,阴极置于常温常压下。结果表明,PWA-d-PVA/PVDF膜的电池性能优于相同实验条件下的Nafion膜。     

Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用不同厚度Nafion膜 (Nafion 117,115 ,1135 ,112和 10 1)组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,通过测试电池极化曲线 (U/I) ,研究Nafion膜厚度对PEMFC工作性能、氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 ,通过线性回归分析不同厚度Nafion膜组装PEMFC的内阻计算了Nafion膜材料的电导率。实验结果表明 :( 1)降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻 ,从而有利于提高PEMFC的工作性能 ;( 2 )随着膜厚度的降低 ,U0 值有降低的趋势 ,Tafel斜率b值变化不明显 ;( 3)厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 ,其主要原因是质子传质极化引起的 ;( 4 ) 80℃时Nafion膜材料的电导率约为 0 .0 77Ω-1·cm-1。     

自呼吸式微型PEMFC性能的研究

研制了自呼吸式微型质子交换膜燃料电池,阴极端板采用无流场结构,以自呼吸方式供氧.放置的方向和氢气流量对电池性能的影响不大,而Nafion膜厚度的影响较大.采用Nafion 1135薄膜时,电池的性能最佳,峰值功率密度达到115 mW/cm2.电池在无水热管理系统、室温常压下运行341 h,性能稳定,电压波动范围为0.02 V.     

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     

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。