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。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以提供较高的功率/能量密度,是未来空间探索最有前途的动力设备之一,其性能主要取决于内部反应物的传输和水管理。气体扩散层(GDL)作为燃料电池中的重要组成部件,与燃料电池的质量、水、热和电的多相传输紧密相关,是反应物和液态水的主要传输场所。因此,要提高燃料电池性能,合理的气体扩散层的设计至关重要。从提升空间燃料电池的使用寿命、稳定性及电化学性能的角度出发,综述了气体扩散层的物理化学特性,并介绍了多种改性方法,包括疏水性、结构和新型一体式GDL以及其对燃料电池性能的影响,为未来空间燃料电池高性能GDL设计提供了参考。     

质子交换膜燃料电池扩散层水传递可视化研究

质子交换膜燃料电池(polymer electrolyte fuel cell,PEFC)扩散层(gas diffusion layer,GDL)水管理对其性能十分关键,扩散层可视化研究对指导微观模型的建立,进而指导电池的设计意义重大.搭建了一个离线扩散层可视化研究实验台,通过对不同碳纸进行液态水穿透实验,观测了液态水突破现象,并得到碳纸突破压力随温度近似呈线性变化且成反比.同时通过分析碳纸中传递过程,建立了一种微观模型,通过MATLAB编程计算突破压力大小,并与实验值进行了对比,得到比较一致的结果.     

质子交换膜燃料电池气体扩散层耐久性研究

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成材料之一,其稳定性对PEMFC的性能和耐久性具有重要影响。以商业化的软碳纸(S-GDL)和硬碳纸(H-GDL)制备的气体扩散层为研究对象,对其进行高电位氧化和酸液浸泡加速衰减实验。对衰减前后GDL的透气系数、接触角、厚度、电阻及全电池极化曲线进行表征,揭示了离线加速衰减过程中不同GDL的衰减行为,并研究了GDL参数变化对燃料电池性能的影响。该研究结果可为燃料电池耐久性研发提供参考。     

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。     

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%。     

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。     

质子交换膜燃料电池电流分布研究

燃料电池电流分布直接反映电极表面的电化学过程,研究电流密度分布有助于分析电极过程的特征,有利于提高催化剂的利用率。采用电极催化区域分区的方法研究了气体流道区域与集流体区域电流分布的不同。分析了气体流道区域与集流体区域的电阻分布,考察了气体加湿及氧气供给对上述两区域电化学过程的影响。结果表明,小电流密度区间,气体无论是加湿还是干燥条件,电阻的影响要强于气体供给的影响,即集流体区域电流密度高于气体流道区域;而大的电流密度区间,电流在集流体区域与气体流道区域的分布决定于反应点的电阻及气体供给两种因素。     

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。     

质子交换膜燃料电池开发现状

论述了单体质子交换膜燃料电池(PEMFC)的技术现状.介绍了国内外PEMFC的研究进展,趋于成熟的贮氢技术,以及未来展望.     

扩散层形态对质子交换膜燃料电池性能的影响

研究了扩散层中过渡层所用碳粉的性质和担载量对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。采用扫描电镜对以AcetyleneBlack、VulcanXC-72、KetjenBlackEC300J和BlackPearls2000四种碳粉制备的扩散层表面形态进行了表征,并分别在1.40mg/cm2和1.00mg/cm2碳粉担量下比较了由这四种碳粉制备的扩散层的电极性能。在以AcetyleneBlack为过渡层碳粉材料时优化了碳粉的担量。实验结果表明随过渡层中所用碳粉比表面积的降低电极性能增加;过渡层中碳粉担量存在一个最佳值;担量为1.00mg/cm2的AcetyleneBlack制备扩散层的电极性能最好,最高比功率可达0.75W/cm2。     

燃料电池质子交换膜研究现状与展望

质子交换膜燃料电池是目前研究的热点之一,研究方向包括提高燃料电池效率、减少成本、提高耐久性等。作为质子交换膜燃料电池的核心部件,质子交换膜性能的好坏直接影响燃料电池的性能与寿命。文中首先概述了燃料电池质子交换膜的工作原理。随后,总结了燃料电池质子交换膜的分类,主要分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜以及非氟化聚合物质子交换膜四大类,同时还简述了质子交换膜的制备工艺。最后,介绍了燃料电池质子交换膜的优化方案,主要包括有机/无机纳米复合质子交换膜、改进质子交换膜的骨架材料、调整质子交换膜的内部结构、机械增强型质子交换膜以及自增湿型质子交换膜。     

PEM燃料电池气体扩散亚层的研究进展

在催化层和扩散层之间加入的扩散亚层能够减小催化层的水饱和度,优化扩散层中的水和气传输.对扩散亚层中的水传输机理、研究现状进行了综述,在研究现状中主要对导电碳黑的载量、PTFE（polytetrafluoroethylene）的含量和孔结构进行了阐述,并提出了研究中存在的问题.同时对扩散亚层最佳物理参数的理论模拟进行了综述,提出了扩散亚层制作改进的方面.     

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。     

质子交换膜燃料电池催化层设计与优化

催化层作为质子交换膜燃料电池进行电化学反应的重要场所,是膜电极的核心组成部分。叙述了催化层的组成及结构,并评述了近年来人们在催化层设计及优化方面取得的最新研究进展。     

质子交换膜燃料电池双催化层阴极

提出了双催化层阴极,该电极同时采用聚四氟乙烯和Nation两种粘结剂粘结催化层,阴极催化层具有良好的气体传输和质子传递能力.在常压、65℃下进行了憎水电极、亲水电极和双催化层电极的测试,双催化层电极的电流密度在0.7V时比憎水电极和亲水电极分别提高42.9%和20.6%.     

质子交换膜燃料电池关键材料的现状与展望

介绍了质子交换膜燃料电池的关键材料:电催化剂、电极、质子交换膜与双极板材料的基本原理以及国内外的最新发展状况;电催化剂的几种制备方法(胶体化学法、直接还原法、离子交换法);目前的各种电极制备工艺的特点。指出了未来电极制备的设计思想、发展方向和目前质子交换膜的不足,并介绍了在质子交换膜方面的降解机理的研究结果,就Nafion/PTFE膜、共混膜、PBI膜等方面的工作进行了评述,指出了近期与中长期质子交换膜的发展方向。在双极板材料方面,对模铸、膨胀石墨与金属双极板材料进行了对比剖析。预测了下一代燃料电池关键材料的发展方向。     

质子交换膜燃料电池催化层孔隙率检测方法

孔径分布和孔隙率是催化层的重要结构参数,影响质子交换膜燃料电池的性能。由于催化层多孔、脆弱,自身缺乏自支撑作用,采用压汞法测量催化层的孔径分布和孔隙率时,所测结果包含了基底(碳纸或电解质膜)的贡献,催化层与基底的孔隙混合,难以分离,致使误差偏大,影响测量的准确度。采用无压缩性且具有柔韧度的无孔材料作为催化层的基底,改进了压汞法测量工艺和孔隙率的计算方法,提高了催化层的孔径分布和孔隙率测量的精确度。     

扩散层各向异性对质子交换膜燃料电池影响的研究

建立了一个三维多相流传热传质模型,深入研究扩散层传输参数的各向异性对温度、液态水含量以及电池性能的影响。研究结果表明当模型中考虑导电系数的各向异性时,电池的电流密度在电压为0.7 V时会下降一半,只有0.37A/cm2。而导热系数和渗透率的各向异性对电池性能的影响不是很大,但是其对相同情况下电流密度的分布情况却有很大的影响。对于GDL中液态水的分布情况而言,各向异性的导电系数由于降低了电化学反应的速率而使得在脊部下方的GDL处液态水的含量最少。而各向异性的渗透率导致了在垂直平面方向,液态水很难排出到流道中,各向异性的导热系数对液态水的分布几乎没有任何影响,但是其使得电池内部的温度分布更加均匀。     

氧电极气体扩散层的研究

研究了不同含量PTFE对氧电极气体扩散层性能的影响;分别以丙三醇、Na2SO4、草酸铵、ZnO作为造孔剂,研究了不同造孔剂及含量对氧电极性能的影响;选用镍网做导电骨架,采取催化层/集流体/气体扩散层的排布方式,以纯铝为阳极,4 mol/L KOH溶液为电解液,将空气电极与铝阳极组装成电池,考察电池的性能,并通过扫描电镜(SEM)研究气体扩散层的表面形态。研究结果表明:当扩散层中PTFE的含量为60%,选用草酸铵为造孔剂,草酸铵与载体的质量比为3∶1时,电极内部的空气传导阻力小,整个氧电极的性能最佳。