用微机电系统技术制微型PEMFC及其性能研究

采用氧化、光刻、KOH湿法腐蚀和溅射等一系列微机电系统(MEMS)工艺,在n型单晶硅片衬底上制作微型质子交换膜燃料电池(mPEMFC)的精细流场,并用扫描电子显微镜(SEM)观察所形成的流场微观形貌。将加工好的流场板分别与不同的膜电极组件(MEA)叠片式组装成H2-空气自呼吸式mPEMFC。所制成的单体电池的体积约为0.3cm3,质量不足0.65g。在20℃,相对湿度RH为(60±5)%的室内环境下,用三种不同MEA即Nafion112、Nafion1135自制热压MEA和GorePrimeaR5561MEA组装成的电池,其峰值比功率、体积比功率和质量比功率分别为123、112、58mW·cm-2,410、373、193W·L-1,189.2、172.9、89.2W·kg-1。通过比较上述三种不同mPEMFC的性能,分析了影响电池性能的若干因素。用Nafion1135MEA组装的mPEMFC以50mA·cm-2进行累计260h长时间放电实验,电池电压保持在0.6V以上。     

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.     

直接甲醇燃料电池高性能双催化层阳极的研究

提出了一种直接甲醇燃料电池(DMFC)双催化层阳极结构,该双层结构由担载型Pt-Ru/C和非担载型Pt-Ru催化层组成。测定了电池的放电性能并以扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDX)对电池的结构进行了研究,同时,以交流阻抗法和伏安法对电极进行了表征。结果表明,在双催化层结构中,形成了催化剂浓度和孔道大小的梯度分布,改善了物料传递、质子传递、电子传递状况,提高了贵金属催化剂利用率和电池性能。在金属含量相同的条件下,同单催化层电极结构相比,双催化层电极结构的电池比功率明显提高,由135mW·m-2增加到217mW·cm-2。此外,该双催化层结构电极还能够有效地降低甲醇渗透,提高燃料利用率。     

Li/SOCl2电池的交流阻抗研究

用交流阻抗方法研究了Li/SOCl2电池贮存过程中和放电前后锂电极、碳电极和电池的阻抗变化。结果表明,在开路电位下,随贮存时间的增加,锂电极阻抗逐渐增大,约9 d后达到基本稳定,碳电极阻抗大致不变;放电前,锂电极的阻抗约为碳电极的5倍,直接影响着放电性能;贮存12 d的电池以3 mA放电后,锂电极的膜电阻由放电前的413.8Ω减小到5.2Ω,而碳电极的阻抗增大了约1个数量级;放电过程中碳电极阻抗逐渐增大,最终阻止了电池的放电输出。     

掺杂α-Ni(OH)2的结构与性能

用半导体掺杂法将LiCoO2 阴极掺杂Mg ,又重掺杂La和Ce等稀土元素。该阴极具有粗细双孔层结构 ,分别适应液相和气相的传质。又用单电池评价阴极 (电化学 )性能 ,并与NiO阴极性能进行比较。反应气压为 0 .9MPa ,气体利用率为2 0 % ,用LiCoO2 和NiO阴极分别组装的熔融碳酸盐燃料电池单电池 (阳极为Ni Cr ,电极面积为 2 6cm2 )在 3 0 0mA·cm-2 放电时 ,工作电压分别为 0 .848V和 0 .82 0V ,功率密度分别为 2 5 4.4mW·cm-2 和 2 46mW·cm-2 。LiCoO2 阴极性能优于NiO阴极 ,说明LiCoO2 阴极掺杂和双层结构是有效的 ,而且掺杂将其电导已提高到与NiO阴极同等水平。     

自呼吸式DMFC膜电极组件的新结构

提出一种新型的自呼吸式膜电极组件(MEA)结构,将用作阴极集流体的薄金属拉伸网直接嵌入阴极催化层中。电化学阻抗分析表明,新型MEA比传统MEA的欧姆电阻和扩散阻抗更小。新型MEA的最大功率密度可达9.6 mW/cm2(电池温度为25℃),比传统MEA提高了10.3%。长时间40 mA/cm2恒流测试表明,新型MEA有增强的氧传输速率和较好的水管理能力,因此电压衰减速率较小。     

碳负极面密度均匀性对锂离子电池性能的影响

研究了碳负极纵向面密度均匀性对电池首次充放电效率、倍率放电性能和循环性能的影响。实验结果表明:负极纵向面密度差从1.52mg·cm-2降低到0.12mg·cm-2时,电池的首次充放电效率由81.9%增加到88.9%。以纵向面密度差分别为1.31mg·cm-2和0.35mg·cm-2的负极所制备的电池,其2C放电容量分别为0.2C放电容量的93.1%和96.5%,经157次1C充放电循环后,放电容量分别为初始容量的80.6%和88.9%。在负极制备中监测电极的面密度的变化,可提高电池的综合性能。     

α-LiAlO2水合作用对MCFC隔膜性能的影响

以水为溶剂并采用水溶性粘结剂(聚乙烯醇,PVA)和"-LiAlO2粉料等制备了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)水溶性隔膜(PVA隔膜)。在制备中,α-LiAlO2粉料的水合作用生成水合物$-LiAlO2·nH2O,这与粉料粒度、水合作用温度和时间等因素有关。粉料的水合作用导致PVA隔膜的孔隙率和热失重均比PVB(聚乙烯醇缩丁醛)隔膜的高;但前者的最大孔径却比后者的小。在反应气压为0.9MPa,反应气体利用率为20%,分别在300mA·cm-2和428.57mA·cm-2下放电时,PVA隔膜电池输出电压分别为0.849V和0.739V;输出比功率分别为254.7mW·cm-2和316.7mW·cm-2,高于PVB隔膜电池性能。在10次启动中,电池性能表现为下降-回升-稳定的变化。这可能是PVA隔膜高温失水导致隔膜电导变化所致。     

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.     

直接甲醇燃料电池膜电极性能衰减分析

分析了“自呼吸式”直接甲醇燃料电池膜电极性能衰减的因素及其影响程度.通过对膜电极进行2 000 h恒电流(25 mA/cm2)放电,对比了放电前后的极化曲线、交流阻抗谱及电化学活性面积.恒电流放电后,膜电极的最大功率密度从初始的29.1 mW/cm2下降到21.8 mW/cm2,开路电压基本不变;交流阻抗谱定量分析表明,阴极的电阻明显大于阳极,并且对膜电极性能衰减的影响程度是:阴极＞＞阳极＞质子交换膜;循环伏安测试显示阴极催化剂电化学活性面积的衰减为21％,明显大于阳极催化剂的衰减2％.     

正极集流体铝箔高温预处理的耐蚀性研究

研究了锂离子电池正极集流体铝箔的耐腐蚀性能。将厚度为30μm的商业铝箔集流体分别在250℃和400℃下进行了高温热处理,并采用循环伏安扫描、电化学阻抗、计时电流等电化学方法研究了处理前后的铝箔预在BLE-802电解液体系中的耐蚀性能。研究结果表明经过250℃热处理5 h和400℃热处理2 h后的铝箔在电解液体系中耐蚀性能明显提高。     

水性LiFePO4/C正极的制备及其性能的研究

采用商品化的LiFePO4/C作为原料,使用水性黏结剂将此正极材料制成电极,利用扫描电镜对该电极制备前后活性材料的表面形貌进行了对比分析,并通过组装成2016扣式锂离子电池来考察该水性正极的电化学性能。通过循环伏安扫描、交流阻抗测试及恒电流充放电测试对电池的性能进行分析,结果表明,所制备的水性LiFePO4/C正极具有较好的电化学性能。且水性黏结剂工艺性能良好,可以考虑代替成本高且对环境有污染的有机黏结剂使用。     

磷酸流失对H3PO4/PBI高温PEMFC性能的影响

考察了H3PO4/PBI高温PEMFC单体电池间放时的磷酸流失及对电池性能的影响.用磷钼蓝法测定了电极排水中的磷酸流失量;运用交流阻抗技术测试了电池内阻的变化;用SEM-EDX测量了运行不同时间后MEA中磷酸的含量.在正常操作时,电极排水中都含有少量的磷酸,且阴极侧比阳极侧的流失量大;500 h磷酸的流失总量很小,约为H3PO4/PBI膜中吸附磷酸量的0.43%;单体电池500 h间歇运行过程中内阻的变化不明显;运行不同时间后,阴极催化层中的磷酸减少,而阳极催化层中的磷酸含量比阴极高,但H3PO4/PBI膜中的磷酸含量未明显减少.在电池中有液态水存在时,磷酸的流失严重,返水5 s的流失量约是正常操作时500 h两极流失总量的3倍.正常操作时,电池中没有液态水存在,磷酸流失对电池性能的影响很小;当电池中存在液态水时,磷酸的流失严重,导致电池的性能降低.     

交流阻抗谱法研究燃料电池的极化阻力

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)是用于研究燃料电池电性能的一种重要手段,因其包含了大量的电池极化阻力等方面的信息。通过对电化学阻抗谱的分析可以得到电池的欧姆极化电阻、电化学极化电阻和浓差极化电阻等数据。分析了固体氧化物燃料电池常见的各种形状的交流阻抗谱,给出了各自的等效电路,并通过对等效电路的拟合求得了电池的极化电阻。与文献中普遍采用的直接读图法相比,拟合法得到的电池极化电阻数据更准确、更合理。     

微包覆对贮氢电极性能及放电机理的影响

用交流阻抗法、恒电位阶跃法和模拟电池充放电实验,研究了贮氢合金表面微包覆处理前后在不同的放电时刻电极表面的电化学反应阻抗、氢在合金中的扩散系数和电极的放电性能。结果表明,在放电末期电极表面电化学阻抗的急剧增大是引起贮氢合金电极放电终止的主要因素;微包覆铜和钴可促进氢的扩散并显著降低电化学反应阻抗,推迟阻抗增大的时间,因而提高了电极的放电性能。     

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)。     

石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池储存后的衰减机理

用充放电测试、电化学阻抗(EIS)、循环伏安(CV)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线能谱(EDX)等方法,研究了石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池高温储存后的性能变化.在55℃下储存后,Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2正极的容量衰减较大,同时阻抗增大,动力学性能下降.储存后的容量衰减...     

用EIS研究PEMFC膜电极的活化机理

为使质子交换膜燃料电池的膜电极达到和发挥其最佳性能,对其进行活化是一种有效方法,变流强制活化对提高膜电极的电化学性能比较理想。用电化学阻抗谱(EIS)对膜电极活化过程机理的研究表明,氧电极在活化过程中电化学反应电阻大大降低,氢电极和氧电极的双电层电容均显著增大,活化过程大大增加了膜电极的电极有效面积,有利于膜电极性能的提高。     

MH-Ni蓄电池在不同放电深度下的阻抗行为

通过电化学阻抗谱分别研究了正极、负极在不同放电深度下的阻抗。结果表明,随着放电深度增大,正极的欧姆内阻增加,发生电极反应的活性表面积减小,电化学反应电阻和质子扩散阻抗增大。负极电化学反应电阻先减小后增大,放电平台段电化学反应电阻变化很小,MH-Ni蓄电池放电初期的电化学极化主要来源于负极。