催化层厚度对质子交换膜燃料电池性能影响的数值研究

采用一维稳态宏观均相模型,首次对不同阴极催化层（CCL）厚度的质子交换膜燃料电池（PEMFC）在全操作电流范围内的功率输出进行了计算和比较。在催化层中各相的体积比不变的前提下,催化层厚度以2种方式变化：一是变化单位面积催化层内的Pt载量;二是变化Pt在碳载铂（Pt/C）催化剂颗粒中的质量分数。2种方式的模拟结果均表明,催化层较厚的PEMFC具有较高的功率输出。但是从提高催化剂利用率角度考虑,第1种催化层厚度变化方式中催化层越薄催化剂利用率越高,第2种方式相反。在本研究设定的CCL参数范围内,最适宜厚度催化层在整个电流密度范围内都使PEMFC有最高的功率输出。     

质子交换膜燃料电池冷启动的数值模拟

冷启动是质子交换膜燃料电池（PEMFC）商业化所面临的挑战之一，在PEMFC冷启动实验中，通过中子成像技术已经观测到电池内部存在过冷水，因此本文模型重点考虑过冷水对电池冷启动性能的影响。通过引入结冰概率函数对过冷水结冰过程的随机性进行描述，从而建立了PEMFC冷启动的三维、瞬态和多相流动数学模型。基于该模型，研究电池阴极催化层中离子聚合物的体积分数和质子交换膜的厚度对电池冷启动性能的影响。研究结果表明，增加阴极催化层中离子聚合物的体积分数，可有效促进阴极催化层中的反应生成水向质子交换膜中进行扩散，从而充分利用膜内的储水空间；减少质子交换膜的厚度，能促进质子交换膜中的离聚物水向阳极催化层扩散，在大电流密度工况下可有效缓解阳极的“膜干”现象。     

质子交换膜燃料电池高稳定性低铂载量膜电极的研究进展

质子交换膜燃料电池由于高能量转化率、零污染、低温启动等优点在新能源领域备受关注,但其成本和耐久性仍是本领域的挑战性课题。本文首先回顾了近年来国内外研究者在降低燃料电池成本和提高其耐久性方面取得的成就,从催化剂制备技术、膜电极结构优化、耐久性提升三个方面介绍了近年来国内外在降低膜电极铂载量、提高膜电极功率密度和耐久性方面的发展趋势,通过构筑铂基合金、核壳结构和纳米结构等催化剂能有效地降低铂载量,从而降低燃料电池成本;通过构筑多孔结构催化层或气体扩散层可以改善膜电极的微结构,从而提高电池的功率密度;通过开发新型质子交换膜、更换催化剂载体等方法可以提高膜电极的耐久性。最后,本文针对目前研究进展阐述提高膜电极稳定性仍然是目前的研究难题,并对未来的研究方向进行了展望。     

球形团聚物模型在质子交换膜燃料电池过程模拟中的应用

在建立直通道质子交换膜燃料电池(PEMFC)的二维全电池数学模型中,将球形团聚物模型应用至两极的催化剂层。通过调节团聚物中质子传导介质的比例和催化层孔隙率,预测了基准供气状态下单电池的极化曲线,与文献报道的实验数据吻合良好。研究了电池运行过程中,膜电极内各化学组分和电流密度的分布情况及流向,比较了不同供气压力、催化剂铂颗粒尺寸等参数对电池性能的影响。计算结果表明,在阴极及时排出反应产生的水,并在阳极对燃料气进行加湿是保证单电池正常运行的前提,提高阴极的氧化剂气体压力,可显著改善PEMFC单电池性能,特别是在受浓差极化影响较大的大电流密度区;在催化剂铂载量相同的情况下,减小铂颗粒的尺寸可以提高电池的性能。     

质子交换膜燃料电池双层扩散层特性三维分析

针对直流道质子交换膜燃料电池提出一种混合的两相三维非等温数学模型,考虑了液态水在多孔介质内的毛细流动和分布,分析了双层扩散层结构及碳纤维特性对电池性能的影响。结果表明,扩散层第一层（靠近催化层）厚度对质子膜电导率和气体传递特性有着相互制约的影响,需进行优化;在一定范围内,扩散层第一层碳纤维直径的减小可提高质子膜电导率,有利于电池性能的改善;在保持其他参数不变的前提下,应尽可能提高多孔介质的憎水性和孔隙率以提高电池输出性能。     

质子交换膜燃料电池膜电极制备方法的研究进展

燃料电池技术作为一种绿色能源技术,在减少能源消耗、环境污染等方面具有巨大潜力。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件,MEA中电化学反应的顺利进行需要各功能层的协调配合,MEA各功能层涉及的传质、导电、导质子、催化等方面均影响燃料电池的性能。根据制备方法,可以将MEA分为催化剂涂敷基底（CCS）型MEA、催化剂涂敷膜（CCM）型MEA、有序化MEA和一体化MEA。MEA的性能不仅由催化剂本身载量决定,也受其结构设计和制备工艺的影响。本文介绍了MEA制备过程中常见的改进方法,分别从催化剂喷涂、刮涂、模槽挤出涂覆方式,催化剂浆料组成中Nafion含量和溶剂极性选择,催化层梯度化、图案化及界面结构改进,PEM结构增强、图案化、成膜方式等方面的研究进展进行讨论。但是目前对于MEA各功能层界面间的研究较少,应该注意的是催化层/质子交换膜（PEM）界面以及催化层/气体扩散层（GDL）界面设计也将直接影响MEA的性能。     

聚吡咯在质子交换膜燃料电池中的应用

聚吡咯（polypyrrole,PPy）具有长链状共轭结构及多孔的载体形貌,且显示出高电导率、良好稳定性和无毒等优点,但PPy结构疏松且热稳定性和导电性不如碳材料。本文简述了PPy修饰载体后能为催化反应提供高效的电子和质子传导网络,并能通过改善载体表面形态更好地分散Pt,提高Pt的利用率。此外,本文还概述了聚吡咯类过渡金属复合催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中表现出良好的氧还原反应（ORR）性能,且可通过优化合成条件、改变各成分的质量比、热处理或掺杂等方法提高此类非铂催化剂的性能。最后提出可利用M-PPy-C和Pt的协同效应,制备高活性和耐久性良好的Pt/M-PPy-C催化剂。     

燃料电池型一氧化碳传感器的研究

用浸渍-液相还原法,以氯铂酸溶液为原料,VulcanXC-72R碳为载体制备不同碳载铂比例催化剂,由TEM结果分析后得到催化活性较好的50%碳载铂催化剂。再以50%碳载铂为催化剂,分别用改性质子交换膜和非改性质子交还膜Nafin膜为载体,采用层压复合法按照常规的电化学两电极结构研究制作燃料电池型电化学一氧化碳传感器,结果表明利用此种方法制作的电化学传感器,不仅得出改性和非改性质子交换膜的区别,而且能够有效的检测一氧化碳气体,并能够克服全液体电化学传感器因为漏液寿命短和腐蚀电路板的缺点。     

铂/介孔碳纳米线复合材料的制备及电催化性能研究

以碳材料为载体的催化剂在电催化领域得到广泛关注,采用双模板法技术,将200 nm孔径的阳极氧化铝模板与嵌段共聚物模板F127相结合,利用气相还原和高温碳化技术,合成了以介孔碳纳米线为载体的含铂量为10 wt%的铂/介孔碳纳米线复合材料。并对其在甲醇的电氧化性能方面进行了考察。结果表明,由于介孔碳纳米线的存在,增加了材料的有效比表面积,使铂的有效催化能力显著提高。     

质子交换膜用铱基催化层的制备与成膜工艺研究

质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)电解池水电解技术是制氢技术的研究热点之一,具有电流密度高,可再生,无污染等优点。本文采用电解水的方法考察在使用不同型号Nafion膜的情况下,催化剂质量比与催化剂载量的关系。结果表明:低疏水性碳纸扩散层有利于提高水电解性能;催化剂载量越高,电解效果越好;以及使用Nafion115,IrO2与Nafion质量比为3∶1时,电解性能最好,稳定性最高。     

Performance analysis of the ordered and the conventional catalyst layers in proton exchange membrane fuel cells

Two steady-state, one-dimensional models of the cathode active layer for the proton exchange membrane fuel cell, a conventional active layer model with the agglomerate structure and an ordered active layer model, have been compared. The model equations account for the Tafel kinetics of oxygen reduction reaction, proton migration and oxygen diffusion in the polymer electrolyte and gas pores. The polarization curves simulated by the ordered active layer predict a superior performance than the conventional active layer model even with lower platinum loadings. Analysis of the overpotential contributions indicates that the better performance of the ordered catalyst layer can be attributed to the reduction of concentration polarization. Simulation results also reveal that the ordered active layer gives more uniform oxygen concentration and overpotential distributions while the conventional catalyst layer shows more evenly distributed local current source. The present results will be helpful for practical fuel cell designs.     

A thin-film/agglomerate model of a proton-exchange-membrane fuel cell cathode catalyst layer with consideration of solid-polymer-electrolyte distribution

A thin-film/agglomerate model for the cathode part of a proton-exchange-membrane fuel cell is developed. Parameter estimation is employed to determine the exchange current density in the catalyst layer, proton conductivity of the recast ionomer, and oxygen diffusivity in the solid polymer electrolyte. The effects of catalyst and polymer electrolyte loadings in the catalyst layer on the cell performance are demonstrated using this model. The influence of polymer electrolyte distribution in the catalyst layer is correlated with the oxygen diffusion and proton migration rates within the electrolyte. It is found that proton migration in the polymer electrolyte is the dominant factor for cell current density under normal operating conditions. A better cell performance is achieved by a concentrated polymer electrolyte near the catalyst layer/membrane interface.     

常规流场下各向异性扩散层对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响

为了研究扩散层各向异性对电池性能的影响,以XD=Di,j ^y/Di,j ^x 为各向异性的表征,建立了使用常规流场的质子交换膜燃料电池二维传质模型.考虑了阴阳极内物质的对流和扩散、水和质子在膜内传递以及催化层的电化学反应.利用有限差分法对控制方程进行离散,采用逐次超松驰法求解得到了阴阳极反应气体和水的浓度分布以及催化层电流密度、膜中水含量、膜中电势和电流密度的分布.分析结果表明：在1≤XD≤4时增大XD有利于提高电池性能,但随着XD增大其对电池性能的影响逐渐减小;并且XD对电池性能的影响主要体现在对阴极和膜性能的影响上,其对阳极性能的影响甚微.     

质子交换膜燃料电池有序化膜电极研究进展

质子交换膜燃料电池的发展和应用是促进现代生活方式低碳环保化的最重要路径之一。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件,实现膜电极结构的有序化是同时满足低铂载量和高电化学性能要求的关键。本文系统总结和分析了最近有关有序化膜电极的相关研究进展。与发展较为缓慢的质子导体有序化相比,以催化剂有序化和催化剂载体有序化为路径实现的有序化膜电极结构优化已经得到快速发展,对于促进质子交换膜燃料电池规模化应用表现出极大的发展潜力。     

直接涂膜技术用于质子交换膜燃料电池膜电极制备(Ⅱ)

研究了直接涂膜过程中,催化剂液组成对电池性能的影响.异丙醇在催化剂墨水中起到溶剂和造孔剂的作用,当催化剂墨水中催化剂、异丙醇的质量比为1∶10时电池性能最好.Nafion是催化剂层中良好的黏结剂和质子传导载体.由于直接涂膜,使Nafion液与Nafion膜直接接触,从而增加了质子传导性.实验结果表明,最佳的Nafion含量（干基）为NFP=33%.通过对不同金属含量的Pt/C催化剂的研究发现,金属含量不同,异丙醇和Nafion的最优含量亦随之改变.考察了催化剂层不同制备工艺对电池性能的影响,表明催化剂层数越多电池性能越好,但是差异并不是很大.     

质子交换膜燃料电池阴极催化剂的位置效应

考虑局部几何效应,通过二维稳态数学模型研究了质子交换膜燃料电池阴极催化剂的位置与其表面传质和反应能力的关系。模型方程涉及氧气在催化层气孔的传输,氧气在气相和电解质相界面的分配以及氧气和质子在电解质中的传递和电化学反应过程。计算结果表明,催化剂表面的氧气扩散能力对催化剂的位置变化非常敏感,随催化剂深入电解质内部,其表面的氧气扩散能力经短暂上升后迅速下降。催化剂位置对质子传递阻力的影响与氧气扩散类似,但位置效应要弱些。性能比较确定最优的催化剂位置是恰好处于刚被电解质膜完全覆盖的位置。     

Performance improvement of ultra-low Pt proton exchange membrane fuel cell by catalyst layer structure optimization

Reducing the loading of noble Pt-based catalyst is vital for the commercialization of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC).However,severe mass transfer polarization loss resulting in fuel cell perfor-mance decline will be encountered in ultra-low Pt PEMFC.In this work,mild oxidized multiwalled carbon nanotubes (mMWCNT) were adopted to construct the catalyst layer,and by varying the loading of carbon nanotubes,the catalyst layer structure was optimized.A high peak power density of 1.23 W·cm 2 for the MEA with mMWCNT was obtained at an ultra-low loading of 120 μg·cm-2 Pt/PtRu (both cathode and anode),which was 44.7％ higher than that of MEA without mMWCNT.Better catalyst dispersion,low charge transfer resistance,more porous structure and high hydrophobicity of catalyst layer were ascribed for the reasons of the performance improvement.     

Nitrogen doped graphene/cobalt-based catalyst layers of a PEM fuel cell: Performance evaluation and multi-objective optimization

The proton exchange membrane fuel cell could be made more commercially viable by substituting the expensive platinic catalyst without loss of performance. This should be done simultaneously through optimization and use of a non-precious metal catalyst. In this study, multi-objective optimization of the catalyst layer was done on nonprecious metal catalysts. Nitrogen-doped graphene (NG)-based cobalt was synthesized as a non-precious metal catalyst. Differential equations were solved at the modeling stage by the shooting method, and objective functions were solved at the optimization stage using sequential quadratic programming. NG-based cobalt was evaluated in a cell and then compared with the platinum catalyst. Results present the synthesized non-precious catalyst as an appropriate replacement for existing precious metal catalyst. Also, the polarization curve demonstrates that the current modeling is in good agreement with NG-based cobalt catalyst. Finally, the Pareto curve at the voltage of 0.6 V (and 300 A/m² current density in the base case) indicated that the best tradeoff between cost and performance of the catalyst layer was achieved when the current density was increased in the range of 5% to 15%.     

质子交换膜燃料电池用催化剂及其电极的研究进展

膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心技术。膜电极包含的催化剂层、材料和结构等对PEMFC的性能影响很大。催化剂面层上供三相(质子、电子、气体)用的通道对于电池使用时的催化作用是必不可少的。介绍了近几年催化剂的研究进展,看重对三相通道进行了详细叙述。也回顾了一些用于改善催化剂活性的其他方法,如阴极催化、合金催化剂,根据这些进展,对今后的研究方向提出了建议。