膜电极性能的影响因素研究

文章以有机多孔膜为电极支撑体制备了亲水电极,用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。考察了电极在全氟代磺酸离聚物(Nafion)的玻璃化温度处理、催化层中Nafion的含量、以及不同厚度的有机多孔膜等因素对电极性能的影响。测试结果表明亲水电极中Nafion分子的有序排列可以减小电极的极化,减小作为电极支撑体的有机多孔膜的厚度有利于电极性能的提高。采用70%Pt/C制备电极时,Nafion的最佳含量为25%,在1000mA/cm2的电流密度下,电池电压为0.615V。     

催化层裂纹对燃料电池膜电极耐久性的影响研究

催化层成型干燥过程中由于内外热应力不平衡,极易形成裂纹.本文通过控制成型工艺,制备了具有不同程度裂纹缺陷的催化层.采用加速耐久性测试方法,研究了不同程度裂纹对燃料电池膜电极耐久性的影响.经过1000次高低电位(1.0～1.5 V)循环扫描,催化层具有网络状裂纹的膜电极较无裂纹样品,极化性能衰减率增大2倍,电化学活性面积的衰减率增大1倍.     

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.     

直接甲醇燃料电池性能研究

研究了聚合物电解质膜直接甲醇燃料电池性能。 2 0 %Pt -10 %Ru/C和 2 0 %Pt/C分别作为甲醇氧化和氧还原催化剂。通过改变甲醇阳极催化层中Nafion与PTFE的含量研究了电池的电流 -电压特性。结果表明 ,催化层中Nafion含量的影响对电池性能至关重要 ,而PTFE的影响则较小。研究得出催化层中Nafion的最佳含量为 7%。通过在电极表面刷一层Nafion溶液 ,明显提高了电池性能。在低Pt载量条件下 ,即阳极Pt含量 0 .6mg/cm2 ,阴极Pt含量 1.1mg/cm2 ,阴极空气近大气压条件下 ,t =60℃ ,甲醇浓度 1mol/L时 ,单电池开路电压为 0 .6V左右 ,0 .4V时电流密度为 3 0mA/cm2 ,0 .2V时电流密度为 10 6mA/cm2 。甲醇阳极催化层表面的扫描电镜 (SEM )观察表明催化层中Nafion含量不同 ,电极结构不同。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件研究

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件。系统地研究了MEA的组成和结构对其性能的影响。研究提出:催化层中掺杂Nafion聚合物的亲水电极比传统的催化层中掺杂PTFE的疏水电极性能有了较大的提高;不同种类质子交换膜对MEA的性能影响很大,Nafion112和Dow膜是目前比较适宜的质子交换膜;采用石墨类碳纸的电极性能高于采用碳纤维类碳纸的电极;电极催化层中Nafion聚合物的最佳含量比为30%左右。根据氢电极和氧电极反应难度的不同,提出为了减少催化剂的用量同时不显著影响电池的性能,氢电极的铂载量应该低于电极的观点,并通过了实验验证。     

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。     

Ink的状态对微型PEMFC氧电极Pt利用率的影响

电化学极化实验表明,Ink(催化剂与溶剂在超声条件下形成的墨水状浆料)为胶体时,对应的微型质子交换膜燃料电池(PEMFC)氧电极极化性能相对于Ink为溶液时有明显提高。通过激光粒度实验和扫描电镜实验证实了Ink不同状态时对应的氧电极催化层空间状态和厚度存在较大差异。Ink为胶体时催化层Pt簇团聚粒子间隙较大,催化层厚度较低,有利于氧电极的反应传质过程,这是氧电极性能提高的根本原因。循环伏安实验结果发现,Ink为胶体时对应的氧电极Pt的利用率从25.2%提高到31.6%。     

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.     

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%.     

HT-PEMFC耐CO多层复合结构阳极研究

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)使用富氢重整气代替纯氢进料时,其中高浓度CO(可达3×10-2)会导致电极毒化,使电池性能降低.采用Pt/C和PtRu/C催化剂制备多层结构阳极,研究了不同阳极结构在重整气进料时对电池性能的影响,优化得到最佳阳极结构(内侧Pt/C、外侧PtRu/C复合阳极).与传统Pt/C...     

固体聚合物电解质水电解池电极的优化研究

目前固体聚合物电解质(SPE)水电解池的膜电极催化层中各组分的配比普遍以全氟磺酸树脂(Nafion)与催化剂的质量百分比来表征,但是由于催化剂的堆密度不同,对于不同的催化剂如果沿用相同的质量配比会造成催化层中Nafion含量的失调,影响电极的质子与电子传导能力。研究了以Nafion与催化剂的体积比来表征电极催化层的组分配比和结构,并利用交流阻抗、循环伏安、极化曲线等电化学测试方法,对其体积比进行了最优化研究。结果表明,Nafion与阳极催化剂(Pt黑与IrO2混合物)的体积比1∶10时水电解的性能最佳。     

球磨方法对氧还原催化剂性能的影响

采用滚动球磨、行星式球磨和摇摆振动球磨等方法,制备了碳载二氧化锰氧还原催化剂,并组装了锌空电池。用扫描电镜(SEM)对催化剂和催化膜形貌进行了表征,以恒流法检测了空气电极的极化行为和锌空电池在室温下的放电性能。采用摇摆振动球磨方法制备的碳载二氧化锰催化剂具有优良的氧还原催化性能,当电位为1.1 V(vs.Zn)时,空气电极电流密度达到226 mA/cm2;终止电压为1.0 V时,锌空电池比能量可达427 Wh/kg。     

PEMFC的自增湿膜电极结构和性能研究

设计并制作了一种新结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)自增湿膜电极。其特点是在催化层和扩散层之间建立水管理层(WML),WML由不同质量比的炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)组成双层结构。为了减小气体反应物的扩散传质阻力,在WML的制作过程中加入了具有高分解温度和高溶解度的(NH4)2SO4造孔剂。用单体PEMFC的电流密度-电压曲线评价了膜电极在外增湿和自增湿方式下的极化特性;用环境扫描电子显微镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构。实验结果表明,所制备的膜电极具有良好的水管理能力,在较宽的电流区域内具有良好的电化学性能。     

电沉积Ni-S合金阴极析氢反应

用电沉积法制备各种硫含量的Ni S合金镀层电极。用恒电流极化法研究各电极在 80℃的 5mol/LNaOH溶液中作为析氢反应阴极的催化性能 ,并用XRD及SEM研究Ni S合金镀层的组织结构。实验结果表明 ,硫含量为 2 9.4% (原子百分比 )的Ni S合金电极具有优良的催化性能 ,在 15 0mA/cm2 的电流密度下 ,析氢反应过电位最低 ,比Fe低约 35 0mV。这与其组织结构有关。     

质子交换膜燃料电池中氢电极和氧电极性能的研究

采用三种活性碳和三种还原剂,通过化学还原得到Pt/C催化剂.将涂在碳布上的Pt/C催化剂在125℃下热压在Nafion膜上,制成氢电极和氧电极,用循环伏安和极化方法研究了Pt/C-Nafion膜电极的性能.结果表明,这种电极的性能主要与活性碳的种类有关,而制备催化剂的还原剂起着次要的作用.对质子交换膜燃料电池的电流-电压性能和放电行为进行了初步研究.     

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。     

质子交换膜燃料电池用梯度结构气体扩散电极

依次用m(Pt)∶m(Nafion)=0.4∶0.8、0.6∶0.6、0.8∶0.4和1.0∶0.2的催化剂料液分层涂覆,制备了梯度结构气体扩散电极;通过伏安曲线、扫描电镜(SEM)和循环伏安(CV)等方法,研究了电极结构对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。该梯度结构电极具有电子传导速度快、质子传递通道多的特点,催化剂Pt的利用率比亲水电极提高了32%,且能扩大催化反应的三相界面,提高PEMFC的性能。在电流密度为500 mA/cm2、1 000 mA/cm2时,使用梯度结构电极的PEM-FC的电压比使用亲水电极的分别高6.9%、13.7%。     

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。     

聚苯胺对MnO2空气电极性能影响的研究

研究了添加聚苯胺对MnO2空气电极性能的影响,并考察了含聚苯胺的空气电极在不同电解液中的性能变化。结果表明,在5 mol/L的氯化铵电解液中,聚苯胺的加入可大幅度提高空气电极性能,并得到聚苯胺与MnO2催化剂的最佳质量配比为0.3∶1。分析认为,聚苯胺与氧分子间存在的顺磁相互作用,使得O2在催化层中的含量增大,阻止了MnO2催化剂因转变成MnOOH而失活。在0.9 mol/L氯化钠电解液中,聚苯胺的导电性能下降,导致电极欧姆极化增大,性能降低,但加入少量的全氟磺酸可改善电极性能。     

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。