PEM燃料电池用气体扩散层材料研究进展

介绍了质子交换膜燃料电池用气体扩散层的作用和性能要求,论述了碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸以及金属材料等几种用于PEMFC的气体扩散层材料的性能参数和试验结果,介绍了它们的制作工艺、注意事项,以及各自的优缺点。     

弛豫时间分布阻抗分析PEMFC气体扩散层传质现象

电化学阻抗谱是电化学中常用的技术,而传统方法在分析EIS数据时不够准确直观,为此,弛豫时间分布法可以更有效地解决该问题。基于弛豫时间分布法在处理电化学阻抗数据的直观有效性上,对燃料电池的气体扩散层在不同压缩率与不同操作条件下的传质情况进行分析。测试结果表明低压缩率的电池接触电阻较大,高压缩率的电池存在被压塌的可能,10%与20%表现较好。低电流密度下,不同压缩率的性能与阻抗无明显差别,电流密度逐渐升高时,传质阻力影响最大,电荷传输次之。改变操作条件,背压的改变会影响水传质的效果;在性能相近的不同压缩率下,过量系数会改善气体传输阻力;而加湿度变低,会增大传质,峰值的位置也会产生偏移现象。     

用于PEMFC的气体扩散层开发应用研究*

燃料电池研发必须考虑温度、湿度及启动等因素。研究了一种基于疏水梯度易于操作在低湿环境的气体扩散层材料,结果表明制备的多层微孔层厚度在260~270 μm,气体渗透约为145 s。经电池极化测试,样品可在50%相对湿度环境使电池维持在477 mW/cm2的功率输出,相比100%的湿度环境仅衰减23%;利用SiO2的亲水性,添加5 % wt SiO2可进一步拓展电池湿度应用范围,使应用于40%相对湿度极端低湿环境的电池具有428 mW/cm2的功率输出,相比100%的湿度环境仅衰减25%。     

国产碳纤维纸合成PEMFC气体扩散层

以国产碳纤维纸为基体、酚醛树脂为粘接剂,采用液相浸渍法对碳纤维纸进行导电碳黑填充,合成了适合质子交换膜燃料电池扩散层使用的碳纤维纸。采用Pt载量为0．6mg／cm^2的MEA,在70℃H2／O2常压条件下对碳纤维纸组装的单体电池进行了性能测试,测试结果表明：电池输出性能良好,在0．55V时输出功率为520mW／cm^2。     

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...     

PTFE载量对气体扩散层性能的影响

在质子交换膜燃料电池的气体扩散层中,处理好水、气、电子的通道是十分重要的.对碳纸用不同浓度的PTFE乳液(12%,15%,18%)进行疏水处理,通过组装电池测试表明:用15%的PTFE乳液浓度处理的碳纸表现出了好的电性能.     

气体扩散层的组成参数对氧传输阻力的影响

利用极限电流密度法对PEMFCs的氧传输阻力(OTR)进行测定.研究了GDL中的聚四氟乙烯(PTFE)含量、碳粉载量以及碳粉种类这三个主要的组成参数对于OTR影响规律,并结合相关的物理和电化学表征对实验结果进行分析.结果发现:在一定的阴极增湿条件下,OTR随着PTFE含量增加呈现先减小后增加的趋势,当PTFE含量为20％(质量分数)时,OTR最小;随着碳粉载量增加,OTR也呈现先减小后增加的趋势,当碳粉载量为1.0 mg/cm2时,OTR最小.但碳粉载量对于OTR的影响程度明显大于PTFE含量的影响程度.该研究结果为GDL内部传质规律的探索提供了参考.     

PEMFC气体扩散层变形对流道内水传输的影响

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道内气体扩散层(GDL)表面的微型凹槽模型,考虑到GDL表面微型凹槽处疏水涂层的脱落,将微型凹槽内的壁面当作亲水性壁面处理,运用FLUENT软件中的Volume of Fluid(VOF)模型模拟PEMFC处于工况下流道内液态水的传输现象,得出了在GDL表面的亲水性微型凹槽会阻碍流道内液态水的传输及排出的结论,并通过对比三组不同空气流速下流道内液态水的体积分数,分析了空气流速对流道内水传输的影响,对于正确认识PEMFC流道内的水传输现象和提高PEMFC的水管理性能具有重要意义。     

微孔层对PEMFC自增湿性能的影响

提出了一种微孔层结构模型.制备了具有亲水/疏水复合孔结构的微孔层,并与涂有催化荆的Nafion212膜组装成单体电池进行性能测试.研究表明,制备的微孔层的保水性增加.在无外增湿的情况下与传统微孔层相比,制备的微孔层组装成的单体电池性能较好.在电流密度为400 mA/cm2时,电池的电压提高了约0.1 V,在一定程度上实现了电池的自增湿操作.     

Na~+对PEMFC Pt/C气体扩散电极的影响

采用燃料电池半电池体系模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)中Na+污染气体扩散电极时的工况,研究了Na+对PEMFC常用的Pt/C气体扩散电极性能的影响.通过循环伏安曲线和电化学阻抗谱,测试了电极在Na+污染前后催化层电化学比表面积(ECA)和电极反应界面上的电荷转移电阻发生的变化.实验结果表明,随Na+污染浓度的增大,电极性能逐渐下降;污染后电极催化层电化学活性比表面积出现明显减少,当污染物浓度为10 000X 10-6时,ECA降低了43%;外加相同电位时,随Na+污染的增加,电极反应界面上的电荷转移电阻逐渐增大.Na+的存在对Pt/C气体扩散电极具有明显毒化作用.     

PTFE含量对PEMFC性能影响的数值分析

建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)二相流模型,利用实验矫正模型参数,对3种不同聚四氟乙烯(PTFE)含量的PEMFC进行分析。PTFE含量的增加,有助于缓解气体扩散层(GDL)的水淹,10%PTFE含量能极大地提升GDL的排水性能;PTFE含量并非越高越好,PTFE含量为10%时,氧气的扩散系数最大,PEMFC性能最优。     

反胶束法制备PEMFC电催化剂的研究

在采用反胶束法制备PEMFC用Pt/C电催化剂时,比较了3种不同类型的表面活性剂,其中由阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)组成的反胶束能制备出较小的Pt粒径,分布均匀的Pt/C电催化剂。降低反胶束中H2PtCl6水溶液的浓度,能减小催化剂中Pt的粒径,Pt(111)晶面间距也缩小,电催化活性提高。由该方法制备的Pt/C电催化剂的电化学性能与JohnsonMatthey公司的催化剂性能相当。由于反胶束法操作简便,所得催化剂粒径均匀,在PEMFC电催化剂制备方面具有较好的应用前景。     

胶体法制备PEMFC催化剂的评述

胶体法可有效地控制催化剂颗粒的粒径,是制备高Pt负载量催化剂的有效方法.对近几年胶体法制备质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂的状况进行了评述.按稳定胶体的机理,胶体法可分为无保护剂法和有保护剂法.     

小型自呼吸式PEMFC的研制

研制了一种小型六单体串联自呼吸式质子交换膜燃料电池(PEMFC),阳极采用串联供氢,阴极采用自呼吸式供空气.在300 mA、500 mA下长时间工作时,PEMFC的性能稳定,各单体电池的工作电压较均一.     

车用PEM燃料电池堆绝缘电阻的实验研究

电动汽车应用的燃料电池发动机,一般具有100～600V的直流电源电压。应当对其绝缘性能进行相应的试验研究及在线监测,确保符合电动汽车(EV)的电气安全要求。我们利用绝缘电阻在线监视仪在线测量燃料电池发动机中质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆的绝缘电阻,研究各种条件下(如:燃料电池电流输出、操作温度等)燃料电池绝缘电阻的变化规律,为提高和改善电动汽车用燃料电池的绝缘性能提供参考。     

PEMFC膜电极材料退化的研究进展

对质子交换膜燃料电池膜电极材料的退化行为、降解机理和影响因素进行了综述,认为膜的退化主要原因是:高分子的分解导致膜的电导率下降和膜出现小孔对反应原料渗透.催化层的退化,是由C载体的腐蚀和Pt的电迁移所致.     

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.     

正交设计法确定PEMFC中催化层的最佳配比

利用正交实验设计法优选出质子交换膜燃料电池(PEMFC)电极催化层制备的最佳条件,即制备亲水电极。催化层中不含聚四氟乙烯(PTFE),当Nafion的含量为1.4mg·cm-2、Pt含量为0.4mg·cm-2,以常压的H2和空气分别作为燃料气和氧化剂,电池的最高功率可达到0.37W·cm-2。研究表明,提高Pt/C中的Pt含量将是提高催化剂性能的有效途径。     

PEMFC用小型稳压变换器及其监控系统

设计了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用稳压变换器及其监控系统.采用Boost、Buck串联拓扑结构为稳压DC/DC 变换器的主电路,对其工作原理进行了分析.介绍了监控系统的监控对象及其参数设定,研制出了样机.试验结果表明,该样机各项技术指标均达到使用要求,工作稳定可靠.