下载文档原格式
质子交换膜燃料电池催化剂的研究一、综述质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效的能源转化设备，在便携式电子设备、电动车辆和固定式电站等领域有着广泛的应用前景。
其催化剂的性能是影响电池性能的关键因素之一，因此开发高效、稳定的催化剂对于提高PEMFC的性能至关重要。
质子交换膜燃料电池的催化剂主要分为阳极和阴极两种类型。
阳极催化剂主要负责氧化有机物质，将电子传递到外部电路；而阴极催化剂则负责回收质子，将电子传递到氧气。
市场上的PEMFC催化剂主要是铂基催化剂，但由于其价格昂贵和对硫等毒物的敏感性，限制了其在大规模应用中的推广。
为了提高催化剂的安全性和稳定性，研究者们从多方面进行了深入研究。
在催化剂载体方面，通过改变载体的物理性质，如孔径分布、比表面积等，可以有效地调节催化剂的电子结构和活性位点分布，从而提高催化剂的性能。
在催化剂的组成方面，除了进一步提高铂基金属纳米粒子的分散度和稳定性外，还可以通过引入其他金属元素或非金属元素来优化催化剂的组成，以达到提高催化活性和稳定性的目的。
新型催化材料的探索也是当前研究的热点之一。
一些非铂催化剂，如过渡金属硫族化物、氮化物等，因其具有与铂类似的催化活性和良好的储氧能力，引起了广泛的关注。
虽然这些新型催化材料的制备方法、催化机理和性能等方面还存在一定的问题，但随着研究的深入，有望成为新一代的PEMFC催化剂。
通过对质子交换膜燃料电池催化剂的综述，我们可以看到催化剂的性能直接影响到电池的性能和安全。
发展高效、稳定、安全的催化剂是PEMFC领域的重要研究方向。
随着新材料、新方法的不断涌现，我们有理由相信质子交换膜燃料电池的催化剂将会取得更大的突破，为推动能源转换和环境保护做出更大的贡献。
1.1 燃料电池简介当前，在众多研究和应用领域中，PEMFC主要被应用于交通运输工具（如汽车、公共汽车和卡车等）以及便携式电源（如笔记本电脑、手机和摄像机等产品）。
PEMFC的核心组件包括阳极、阴极和质子交换膜。
燃料电池铂合金催化剂燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，其核心部件之一就是催化剂。
在燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，铂及其合金催化剂在电极反应中扮演着至关重要的角色。
铂催化剂主要用于加速燃料电池的两个主要反应：阳极的氢气氧化反应和阴极的氧气还原反应。
铂合金催化剂的优势1. 高催化活性：铂和铂合金催化剂因其对氢气氧化和氧气还原反应具有极高的催化活性而被广泛使用。
这种高效的催化活性可以提高燃料电池的功率密度和能量转换效率。
2. 良好的化学稳定性：铂和其合金在燃料电池工作条件下显示出良好的化学稳定性，能够抵抗腐蚀和长时间的操作衰减。
3. 优异的电导性：铂合金催化剂具有优异的电导性，有利于电子在电极材料之间的快速传输。
铂合金催化剂的种类和应用铂合金催化剂通常是铂与其他过渡金属（如钴（Co）、镍（Ni）、铁（Fe）等）的合金，这些合金通过改变铂的电子结构和表面几何结构，进一步提高了催化活性和稳定性，同时有助于降低贵金属铂的使用量，从而减少成本。
1. 铂钴合金（Pt-Co）：提供了优于纯铂的催化活性，特别是在氧气还原反应中，同时能够在一定程度上降低成本。
2. 铂镍合金（Pt-Ni）：这种合金在提高催化活性的同时，也显示出良好的抗腐蚀性能，特别适用于氧气还原反应。
3. 铂铁合金（Pt-Fe）：在某些燃料电池应用中，铂铁合金因其独特的催化特性而受到青睐，尤其是在提高电池效率方面。
发展趋势和挑战尽管铂合金催化剂在燃料电池中表现出色，但其高成本和有限的资源仍然是推广燃料电池面临的主要挑战之一。
因此，研究人员正在努力开发新型的非贵金属催化剂或低铂含量的催化剂，以降低成本并提高催化剂的稳定性和耐久性。
通过纳米技术和材料科学的进步，已经实现了对铂合金催化剂性能的显著提升，未来这些技术的进一步发展有望为燃料电池的商业化和大规模应用铺平道路。
质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能测试一、实验目的与内容1、了解质子交换膜燃料电池的工作原理和研究现状；2、掌握循环伏安法（CV）和旋转圆盘电极技术（RDE）评价质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能的基本原理和操作过程；3、掌握电化学中三电极体系的基本概念，学会利用CV法测定铂基电催化剂的电化学活性表面积（ESA）；了解极限电流密度的概念，学会通过RDE技术研究铂基电催化剂的氧还原本征活性。
二、实验原理概述1、燃料电池技术进展及工作原理燃料电池(Fuel Cell)是一种在等温状态下直接将化学能转变成电能的电化学装置。
它不同于普通的二次电池，其工作过程是燃料和氧化剂分别在阳极和阴极上发生电化学反应，由电解质传导的离子和外电路的电子构成回路，从而将化学能直接转化成电能。
燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，自1839年英国科学家William Grove首次发现氢气在铂黑电极上的电化学氧化现象以来，人们对它的研究已有100多年的历史，但除了用于航天领域外，并未受到广泛关注。
自上世纪90年代开始，随着化石能源的枯竭和环境的日益恶化，人们对燃料电池的研究热情也随之高涨，也取得了巨大的进步。
目前，全世界约有20多个国家已投入巨额经费用于燃料电池的研究开发，技术处于领先的国家为美国、日本和欧盟，其中美国把燃料电池列为国家发展的27个关键技术之一，《时代周刊》将燃料电池列为21世纪的高科技之首。
燃料电池之所以成为研究热点，主要是基于以下优点：(1) 能量转换效率高。
由于燃料电池反应过程中不涉及燃烧，不经过热机转换过程，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，可高达60-80%。
(2) 环境友好。
由于燃料电池是按电化学原理发电，不经过燃烧过程，所以它几乎不排放NOx和SOx和颗粒物，减轻了对大气的污染。
而且燃料电池CO2排放量也比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应有重大意义。
(3) 比能量或比功率高。
质子交换膜燃料电池是一种基于氢气和氧气的电化学能转化技术，可以高效地将化学能转化为电能，是清洁能源领域备受关注的技术之一。
而质子交换膜燃料电池的催化剂则是关乎其性能的关键因素之一。
本文将就质子交换膜燃料电池催化剂研究现状展开分析。
一、传统催化剂传统的质子交换膜燃料电池催化剂主要采用铂类金属作为活性成分，因其高电催化活性及化学惰性而被广泛应用。
然而，铂类金属催化剂存在成本高、资源稀缺和耐久性差等问题，限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用。
二、非铂族催化剂为了解决传统催化剂的问题，近年来在质子交换膜燃料电池催化剂领域涌现了一系列非铂族催化剂，如过渡金属氮化物、碳基催化剂、钴基催化剂等。
这些催化剂具有丰富的资源、低成本和良好的电催化活性，成为替代传统铂族催化剂的重要选择。
三、合成方法目前，质子交换膜燃料电池催化剂的合成方法主要包括溶液法、高温炭烧法、溶胶-凝胶法、物理混合法等。
这些合成方法能够控制催化剂的形貌、结构和表面性质，从而调控其电催化性能。
四、性能改进为了提高质子交换膜燃料电池催化剂的电催化性能，研究者们也尝试引入纳米材料、掺杂、表面修饰等方法进行性能改进，提高催化剂的活性和稳定性。
结合理论计算和表征手段，对催化剂进行深入研究，为催化剂性能的优化提供了理论指导。
五、未来展望随着能源领域的不断发展和创新，质子交换膜燃料电池催化剂的研究也将迎来更多挑战和机遇。
未来，研究者们将继续探索新型高效、低成本的催化剂，致力于解决质子交换膜燃料电池在商业化应用中面临的问题，推动其向更加可持续、环保的方向发展。
总结起来，质子交换膜燃料电池催化剂研究已经取得了诸多进展，从传统的铂族催化剂到非铂族催化剂的发展，再到合成方法和性能改进的探索，都为质子交换膜燃料电池的发展奠定了坚实的基础。
未来，随着新材料和技术的不断涌现，质子交换膜燃料电池催化剂的研究必将迎来更加美好的未来。
希望通过本文的介绍，读者能对质子交换膜燃料电池催化剂研究现状有所了解，也能感受到这一领域的重要性和潜力。
质子交换膜燃料电池Pt-C电催化剂和膜电极的研究共3篇质子交换膜燃料电池Pt/C电催化剂和膜电极的研究1质子交换膜燃料电池Pt/C电催化剂和膜电极的研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型的绿色能源，具有高效、环保、安全等优点，在交通、通讯、军事等领域有广泛的应用前景。
其中，催化剂和膜电极是PEMFC中的核心组件，对其性能有着至关重要的影响。
Pt/C电催化剂是PEMFC任务的关键催化成分，它能够将氢气和氧气反应生成水，并释放出电子以供使用。
它具有优异的电催化性能，但也存在着一些问题。
首先，成本较高；其次，存在催化剂中毒现象，即金属Pt颗粒表面容易发生氧化、变形等现象，导致电催化性能下降。
对此，研究者通过合成各种新型催化剂，如Pd/C、Au/C等，优化了催化剂的成分和结构，使催化剂的性能得到了提升。
膜电极作为PEMFC的重要组成部分，它包含质子交换膜（PEM）、电极催化剂层以及电极支撑层等三个部分。
其中，PEM具有分离和传导质子的作用，电极催化剂层可以将氢和氧反应生成电子和水，而电极支撑层则起到支撑和导电的作用。
在PEMFC中，膜电极的性能直接影响着整个燃料电池的发电性能。
目前，研究者主要从材料、制备工艺以及结构等方面进行了改进和优化，如在PEM中引入新型功能单元，如多酸（H3PW12O40）、氧化石墨烯（GO）等，通过调控其结构和比表面积等参数，能够使其性能有所提升。
然而，Pt/C电催化剂和膜电极所存在的问题仍然不容忽视。
目前，研究者正在寻求解决这些问题的有效途径。
例如，可以通过调整Pt/C电催化剂的制备方法和成分结构，减少其成本，并提高其催化效率；在PEM中添加新型功能单元，改善PEM的性能，使其具有更好的质子通道、更优异的导电性能和更稳定的化学性能；在电极催化剂层中引入新型催化剂，如非贵金属催化剂等，降低催化剂成本，同时提高其催化效率及稳定性。
综上所述，Pt/C电催化剂和膜电极是PEMFC中的核心组件，对其性能有着至关重要的影响。
质子交换膜燃料电池原理与性能的研究测试分析质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于结构及工作原理的特点，在发生电化学反应过程中不产生任何污染气体，被世界认为最环保能源。
本文通过对燃料电池内部结构具体研究分析，详细的测试了不同紧固作用的改变对PEMFC 工作性能的影响。
研究结果表明随着夹紧力的增大，孔隙率会逐渐减小，并且会影响催化层和扩散层的水含量，直接影响电池性能。
0 前言质子交换膜燃料电池主要应用氢气作为原料，将氧化剂中的化学能转化为电能的一种发电装置。
它的发电原理与普通的化学电池发电原理基本相同：都是利用正负极板上的电子的移动完成燃料的氧化还原反应。
氧化过程发生在正极也就是阳极，还原过程发生在负极也就是阴极。
相对于内燃机而言质子交换膜燃料电池，它的工作特点是直接将化学能转化为电能，因此效率更高。
又因为它是以氢气为燃料，最后作用的产生物是水，没有生成任何有害气体释放到空气中，是我们所需要的环保新能源。
并且它的输出功率更高，无需充电。
正是因为它具有这么突出的优点，所以燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，被世界认为是最有发展前途的新能源。
1 燃料电池的原理质子交换膜燃料电池主要由阳极流场板，膜电极和阴极流场板组成，其中膜电极又包含扩散层、催化层和质子交换膜。
在工作时质子交换膜燃料电池系统就相当于一个直流电源，直流电源的负极相当于燃料电池的阳极，正极相当于燃料电池的阴极。
首先氢气通过质子交换膜到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出2 个电子，阳极反应为：阳极（负极）：2H2-4e- →4H+.在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：阴极（正极）：O2+4H++4e- →2H2O总反应式：2H2+1/2 O2 →H2O + 电能电子在外电路形成直流电。
质子交换膜燃料电池离子铂催化剂嘿，伙计们！今天咱就来聊聊一个非常酷的玩意儿——质子交换膜燃料电池，它可是未来能源领域的一个重要研究方向哦！这个东西可不是闹着玩儿的，它可是能够帮助我们解决能源危机的大家伙！咱们来简单了解一下质子交换膜燃料电池。
它就像是一个超级厉害的“充电宝”，可以把氢气和氧气变成电能，而且这个过程还非常环保，不会产生任何有害物质。
这可比那些乱七八糟的化石燃料要环保多了，对吧？说到氢气，大家肯定都知道它是宇宙中最常见的物质之一。
而氧气则是地球上最丰富的气体。
这两者结合在一起，就像是一对天造地设的好搭档，一起为我们提供源源不断的清洁能源。
当然了，要想让它们真正发挥出威力，还需要一个超级厉害的“催化剂”——铂催化剂。
铂催化剂在质子交换膜燃料电池中扮演着非常重要的角色。
它就像是一个超级管家，能够帮助氢气和氧气更好地结合在一起，产生更多的电能。
而且这个管家还非常聪明，可以根据需要调整自己的工作状态，以便更好地服务于燃料电池。
有了质子交换膜燃料电池和铂催化剂，我们就可以放心地使用清洁能源了。
这对于解决全球能源危机、减少温室气体排放、保护地球环境来说，都是非常有利的。
而且，随着科技的发展，这种燃料电池的性能还会越来越好，效率会越来越高。
当然了，要想让质子交换膜燃料电池真正走进千家万户，还需要我们不断地进行研究和创新。
也许有一天，你家的车就会用上这种燃料电池，成为一辆真正的“绿色跑车”。
也许有一天，你的家里就会安装一个大大的质子交换膜燃料电池系统，为你的家庭提供稳定的电力供应。
质子交换膜燃料电池是一个非常有前途的研究方向。
它不仅能够帮助我们解决能源危机，还能够为地球环境保护做出贡献。
让我们一起期待这个伟大的发明能够早日实现吧！关于质子交换膜燃料电池的话题，咱就先聊到这里啦！希望这篇文章能够让大家对这个神奇的发明有一个更加深入的了解。
下次再见啦，伙计们！记得关注更多关于清洁能源的新闻和知识哦！。
《质子交换膜燃料电池和锌-空气电池阴极用非铂双金属催化剂的制备及性能研究》篇一一、引言随着全球对可再生能源和清洁能源的日益关注，燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置，受到了广泛的研究和应用。
在燃料电池中，催化剂的选择对于电池的性能和成本至关重要。
其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和锌-空气电池阴极的催化剂通常以铂（Pt）为主，但铂资源稀缺、价格昂贵，限制了其大规模应用。
因此，开发非铂双金属催化剂成为当前研究的热点。
本文旨在制备非铂双金属催化剂并研究其性能，为质子交换膜燃料电池和锌-空气电池的发展提供理论和实践依据。
二、材料与方法1. 材料准备本实验所需材料包括金属前驱体（如镍盐、钴盐等）、还原剂、导电碳载体等。
所有试剂均为分析纯，无需进一步处理。
2. 催化剂制备（1）非铂双金属前驱体的制备：采用共沉淀法或溶胶-凝胶法等制备非铂双金属前驱体。
（2）催化剂的合成：将非铂双金属前驱体与导电碳载体混合，加入还原剂进行还原处理，得到非铂双金属催化剂。
3. 性能评价方法采用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）等方法评价催化剂的电化学性能；通过SEM、TEM等手段观察催化剂的形貌和结构；利用XRD、XPS等手段分析催化剂的组成和元素状态。
三、实验结果与分析1. 催化剂的形貌与结构分析通过SEM和TEM观察发现，制备的非铂双金属催化剂具有良好的分散性和均匀性，具有纳米级别的粒径大小，能够显著提高催化剂的比表面积。
此外，XRD和XPS结果表明，双金属间具有良好的相容性，有助于提高催化活性。
2. 催化剂的电化学性能研究（1）循环伏安法（CV）测试：在PEMFC和锌-空气电池中，非铂双金属催化剂的CV曲线表现出良好的电化学活性，具有较高的电流密度和较低的起始电位。
（2）线性扫描伏安法（LSV）测试：在一定的电位范围内，非铂双金属催化剂的电流密度明显高于纯铂催化剂，显示出优异的催化性能。
（3）稳定性测试：经过长时间的电化学测试后，非铂双金属催化剂的电流密度保持率较高，表现出良好的稳定性。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种清洁高效的能源供应方案，受到了广泛关注和研究。
而质子交换膜作为PEMFC的核心部件，其性能评价方法对于燃料电池的研究和发展至关重要。
一、质子交换膜燃料电池的基本原理质子交换膜燃料电池是一种以氢气和氧气为燃料的电化学能量转换装置。
通过在阳极催化剂上发生氢气析出电子并通过外部电路流到阴极，同时在阴极催化剂上发生氧气接受电子和质子还原成水，完成能量转换的过程。
而质子交换膜则起到传递质子、隔离氢气和氧气的作用。
质子交换膜的性能评价直接关系到燃料电池的工作性能和稳定性。
二、质子交换膜测试评价的指标1. 质子传导率：质子交换膜的主要功能之一就是传导质子，因此其质子传导率是评价质子交换膜性能的重要指标之一。
传统的测定方法主要包括电化学阻抗谱法和膜电极装置法。
2. 水分管理能力：由于质子交换膜需要保持一定的水分状态才能发挥良好的性能，因此其水分管理能力也是一个重要的测试指标。
常用的测试方法包括原子力显微镜和X射线衍射等。
3. 化学稳定性：质子交换膜在工作过程中需要承受各种电化学环境和氧化还原反应，因此其化学稳定性也是被广泛关注的指标之一。
常见的测试方法主要有热失重分析和循环伏安法等。
三、质子交换膜测试评价方法的发展趋势随着质子交换膜燃料电池技术的不断发展，对质子交换膜性能评价的要求也在不断提高。
未来，质子交换膜测试评价方法的发展趋势将主要集中在以下几个方面：1. 多功能集成测试：未来的质子交换膜测试评价方法将更加注重对多种性能指标的综合评价，以更全面地揭示质子交换膜的性能特点。
2. 环境适应性测试：随着质子交换膜燃料电池的应用范围不断扩大，对质子交换膜在不同环境下的性能稳定性将成为测试评价的重点之一。
3. 在线实时监测：未来的质子交换膜测试评价方法将更加注重对质子交换膜在工作状态下的性能实时监测，以保证其在实际工作中的稳定性和可靠性。
四、个人观点和总结作为质子交换膜燃料电池领域的研究者，我认为质子交换膜测试评价方法的完善将对燃料电池技术的发展起到重要的推动作用。
质子交换膜燃料电池系统设计及其性能测试质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种新型的清洁能源技术，具有高效能、低污染和低噪音等优点，被广泛应用于汽车、航空航天及家庭能源等领域。
本文将围绕质子交换膜燃料电池系统的设计和性能测试展开，分为三个章节进行介绍。
第一章：质子交换膜燃料电池系统的设计原理质子交换膜燃料电池系统由若干个组件组成，包括氢气供应系统、氧气供应系统、质子交换膜电池堆、冷却系统和电气系统等。
其中，氢气供应系统负责将氢气供应给质子交换膜电池堆，氧气供应系统则将空气中的氧气供应给电池堆，冷却系统用于控制温度，而电气系统则用于控制电流和电压。
第二章：质子交换膜燃料电池系统的性能测试方法为了评估质子交换膜燃料电池系统的性能，常用的测试方法包括极化曲线测试、循环测试和稳态测试。
极化曲线测试是通过改变负载电阻，测量电压和电流之间的关系曲线来评估燃料电池系统的性能。
循环测试则是在一定时间范围内以不同负载条件进行循环测试，以评估系统的稳定性。
稳态测试则是在一定负载条件下连续运行一段时间，来评估系统的持久性能。
第三章：质子交换膜燃料电池系统的性能测试结果分析通过对质子交换膜燃料电池系统进行性能测试，可以获取关于其功率、效率和稳定性等方面的数据。
根据测试结果分析发现，随着负载电流的增加，燃料电池系统的输出电压逐渐下降，但系统的效率也会随之提高。
在循环测试中，系统的性能表现出一定的衰减，但在一定循环次数后趋于稳定。
而在稳态测试中，系统的性能持续稳定，并且在长时间运行中未出现异常情况。
综上所述，质子交换膜燃料电池系统设计的关键是实现氢气和氧气的供应、温度的控制和电流、电压的调节。
而性能测试则是评估系统在不同工况下的性能表现，包括功率、效率和稳定性等指标。
通过合理设计和有效测试，可以为质子交换膜燃料电池系统的应用提供可靠的依据，推动其在清洁能源领域的广泛应用。
质子交换膜燃料电池实验随着能源和环境问题日益凸显，燃料电池作为一种新型的清洁能源逐渐受到关注。
其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效、环保、安全等特点，成为燃料电池中应用最广泛的一种。
PEMFC是一种通过催化剂将氢气和氧气转化为电能的电池。
在PEMFC中，采用质子交换膜（PEM）作为电解质，电极上的催化剂促进水的分解，生成电子和质子，电子在外部电路中流动产生电能，质子则通过质子交换膜进入氧气侧的电极反应中，与氧气反应生成水。
为了深入了解PEMFC的原理和性能，我们进行了PEMFC的实验。
实验步骤1. 制备质子交换膜将质子交换树脂溶解在NMP和IPA的混合液中，加入LiOH，搅拌30分钟至颜色均匀，再加入DMSO和PEG，继续搅拌2小时，形成质子交换膜混合液。
将混合液倒入有机硅片中，用刮板将溶液刮平，盖上表面平整的硅片，放入真空室中烘干。
2. 制备电极催化剂将铂黑催化剂存在40 ml的乙醇溶液中，超声分散15分钟，然后用旋转蒸发浓缩器将其浓缩，得到铂催化剂粉末。
将粉末加入Nafion溶液中，超声打散，制备出催化剂浆料。
将浆料均匀涂覆在碳纸电极上，烘干后，用加热板加热使其均匀烧结，形成电极催化剂层。
3. 组装燃料电池将制备好的质子交换膜放置在两个铂催化剂电极间，制备出燃料电池。
将燃料电池中的氢气端与氢气气瓶相连，将氧气端与氧气气瓶相连，打开氢气和氧气的开关，通过注水到水箱中，启动燃料电池，进行实验。
实验结果在实验中，我们测量了燃料电池的输出电压和输出电流，记录下实验数据。
经过统计和分析，得出以下实验结果：•当氢气流速为50 mL/min、氧气流速为100 mL/min时，燃料电池的输出电压为0.93 V，输出电流为0.72 A。
•当氢气流速为100 mL/min、氧气流速为150 mL/min时，燃料电池的输出电压为0.86 V，输出电流为0.62 A。
•当氢气流速为200 mL/min、氧气流速为250 mL/min时，燃料电池的输出电压为0.78 V，输出电流为0.48 A。
实验五质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试1.【实验目的】本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）关键组件膜电极(Membrane electrode assembly,MEA)的制备和单电池组装及实际演示一体化（all-in-one）燃料电池发电系统，使学生全面了解燃料电池的基本原理和制作过程及使用方法。
2.【实验原理】燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转变为低压直流电的装置，即通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生直流电和水。
燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置。
在电解水过程中，外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。
燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质（质子交换膜）和外电路。
图1为组成燃料电池的基本单元的示意图。
阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂（目的是用来加速电极上发生的电化学反应），两极之间是电解质。
图1燃料电池工作原理图。
图中Anode为阳极，Cathode为阴极，Bipolar Plate为双极板，CL为催化剂层，PEM为质子交换膜。
工作原理为：氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化，释放出电子，如反应（1）所示。
氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。
在阴极侧，氧气与28（氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水，如反应（2）所示。
与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，可以向负载输出电能。
燃料电池总的化学反应如式（3）所示。
阳极半反应：H2→2H++2e-E o=0.00V(1)阴极半反应：1/2O2+2H++2e-→H2O E o=1.23V(2)电池总反应：H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)E ocell=1.23V(3)燃料电池的膜电极如图2所示。
北京大学科技成果——电池高性能低铂电催化剂
项目简介
电池高性能低铂电催化剂研究首先合成含有高指数面的Pt3Fe多级纳米线，再通过煅烧得到含有两个原子层厚的Pt-skin结构，并评估了该材料在酸性介质中的氧还原和醇氧化催化性能，最后基于DFT 理论计算结果证明含有高指数面的Pt-skin表面对反应中间体的吸附能优化，有利于电催化反应的进行。
该工作首次将Pt-skin和高指数面结合，在催化剂活性和稳定性方面有了很大提升，为高性能电催化材料的设计和开发指出了新方向。
应用范围
质子交换膜燃料电池（PEMFCs）有利于解决目前全球性的能源短缺，环境污染及气候变化等问题，被认为是替代传统内燃机的理想动力供应设备。
电催化性能评价及DFT计算的氧结合能
项目阶段
北京大学工学院研究团队设计开发了一种新型合成路线，得到了具有Pt-skin结构和高指数晶面的一维纳米线结构。
物理表征结果证实，所得锯齿状一维Pt3Fe纳米线表面形成了约两个原子层厚的Pt-skin结构。
电化学实验表明，该催化剂的比质量和面积活性分别达到了4.34mAcm2和2.11Amg，比商业Pt/C分别高出16.7和13.2倍，且具有极为卓越的电化学稳定性。
进一步计算研究发现，这种独特结构所表现的配位和应力效应能够优化氧吸附能，从而大大提高催化活性。
该工作将对电催化理论研究和新型高效燃料电池电催化剂的开发具有指导意义，也为下一代高性能低成本电催化剂的结构设计提供了新思路。
电催化性能评价及DFT计算的氧结合能
知识产权已申请相关专利。
合作方式合作开发。
质子交换膜燃料电池用铂基催化剂研究进展摘要：综述了近些年国内外用于质子交换膜燃料电池的铂基催化剂研究现状。
从催化剂粒径大小、表面结构、形貌调控、载体及引入其它过渡金属等方面重点讨论了铂基催化剂在活性和耐久性方面的进展。
进一步对铂基催化剂未来发展方向进行了展望。
电极成本占质子交换膜燃料电池整个电池成本的50%以上[1]。
催化剂是质子交换膜燃料电池的核心组成之一，催化剂性能与电池效能密切相关。
目前，广泛研究的燃料电池催化剂主要有铂基催化剂和非铂催化剂两类。
虽然非铂催化剂研究近几年取得了一些进展，但总体而言，非铂催化剂研究尚处于起步阶段，对于其活性中心和催化机理等许多问题都尚不清楚。
尽管铂基催化剂是目前用于质子交换膜燃料电池最好的催化剂，但仍存在成本与性能还不能满足商业需求的问题。
提高铂的利用效率，降低铂的用量，成为改进铂基催化剂性能的重要方向之一[2]。
本文从催化剂粒径、表面结构、形貌等综述了近年来铂基催化剂的进展，为价廉、高效铂基催化剂研制提供参考。
1催化剂粒径由于催化反应在催化剂表面进行，表面原子是反应的主要参与者，而体相内部原子则基本不参与反应过程，因此降低粒子尺寸，提高表面原子的占有比例，能够最大限度的提高铂的利用效率。
研究发现，铂基催化剂对氧还原反应的性能，具有明显的“尺寸效应”。
平均粒径为2~5nm的铂催化剂对氧还原具有最佳的质量活性，面积活性则随着粒子比表面积的增大（粒径的减小）而降低；耐久性则随着粒子粒径的增大而单向增强，并且当粒径大于4nm以上，催化剂的稳定性明显增强。
质量活性的变化规律与粒径变化时晶面变化有关。
而耐久性的变化规律，则与粒子的热力学稳定性有关，粒径越大，粒子的表面吉布斯自由能越低，越趋于稳定。
Shao等[3]利用欠电位沉积的方法，在铂晶种表面先沉积铜然后用铂盐置换，制备了粒径在1.3~4.65nm的铂纳米催化剂，研究发现，粒径为2.2nm的催化剂具有最好的催化活性。
质子交换膜燃料电池用碳纳米管载铂催化剂的研究
朱红;葛奉娟;许韵华;朱捷;张治军
【期刊名称】《北京交通大学学报》
【年(卷),期】2003(027)003
【摘要】采用原位化学还原法制备碳纳米管载铂(Pt/CNTs)和碳粉载铂(Pt/C)催化剂,并对它们进行透射电镜分析和X射线衍射分析,同时制成膜电极,组成单电池,对质子交换膜燃料电池的性能进行测试.实验结果表明,所制备的两种催化剂中铂粒径均较小(4 nm左右),而Pt/CNTs表现出的催化性能比Pt/C更优越.
【总页数】4页(P50-53)
【作者】朱红;葛奉娟;许韵华;朱捷;张治军
【作者单位】北方交通大学,理学院,北京,100044;中国矿业大学,化工学院,江苏徐州,221008;北方交通大学,理学院,北京,100044;北方交通大学,理学院,北京,100044;河南大学,化学化工学院,河南开封,475001
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
【相关文献】
1.质子交换膜燃料电池中碳纳米管负载的氧电极材料制备与表征 [J], 和庆钢;马紫峰;原鲜霞;蒋淇忠;吴卫生
2.质子交换膜燃料电池变载过程动态响应分析 [J], 曲炳旺;陈会翠;邢夏杰;章桐
3.质子交换膜燃料电池带载吹扫仿真 [J], Xiao Chengqian;Gao Yuan;Zhang Tong
4.质子交换膜燃料电池基于非铂催化剂\r的膜电极制备与性能研究 [J], 冯艳;杨琨;姚力;冯奇
5.车用质子交换膜燃料电池变载工况下三维、两相CFD数值模拟研究 [J], 龙佳庆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能测试一、实验目的与内容1、了解质子交换膜燃料电池的工作原理和研究现状；2、掌握循环伏安法（CV）和旋转圆盘电极技术（RDE）评价质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能的基本原理和操作过程；3、掌握电化学中三电极体系的基本概念，学会利用CV法测定铂基电催化剂的电化学活性表面积（ESA）；了解极限电流密度的概念，学会通过RDE技术研究铂基电催化剂的氧还原本征活性。
二、实验原理概述1、燃料电池技术进展及工作原理燃料电池(Fuel Cell)是一种在等温状态下直接将化学能转变成电能的电化学装置。
它不同于普通的二次电池，其工作过程是燃料和氧化剂分别在阳极和阴极上发生电化学反应，由电解质传导的离子和外电路的电子构成回路，从而将化学能直接转化成电能。
燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，自1839年英国科学家William Grove首次发现氢气在铂黑电极上的电化学氧化现象以来，人们对它的研究已有100多年的历史，但除了用于航天领域外，并未受到广泛关注。
自上世纪90年代开始，随着化石能源的枯竭和环境的日益恶化，人们对燃料电池的研究热情也随之高涨，也取得了巨大的进步。
目前，全世界约有20多个国家已投入巨额经费用于燃料电池的研究开发，技术处于领先的国家为美国、日本和欧盟，其中美国把燃料电池列为国家发展的27个关键技术之一，《时代周刊》将燃料电池列为21世纪的高科技之首。
燃料电池之所以成为研究热点，主要是基于以下优点：(1) 能量转换效率高。
由于燃料电池反应过程中不涉及燃烧，不经过热机转换过程，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，可高达60-80%。
(2) 环境友好。
由于燃料电池是按电化学原理发电，不经过燃烧过程，所以它几乎不排放NO x和SO x和颗粒物，减轻了对大气的污染。
而且燃料电池CO2排放量也比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应有重大意义。
(3) 比能量或比功率高。
在各种电池，包括镉镍电池、铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池中，燃料电池的理论比能量要远远高于其它电池。
燃料电池的种类很多，其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有一些独特的优点：无腐蚀性、无噪音、零污染、寿命长、质量轻、体积小、比功率大、操作温度低、工作电流大、比功率高、能量效率高、冷启动快等。
PEMFC工作温度为室温至80o C。
它的发电效率受负荷变化影响很小，不仅能为固定系统提供可靠动力，用作分散型发电装置，也适合用作电网的“调峰”发电机组，还可作为陆地上市区交通车辆和水下潜艇的动力源。
图1即为质子交换膜燃料电池的工作原理图。
如图1所示，以氢为燃料的PEMFC在工作时，燃料氢气沿流场板的通道流动，扩散进入电极，通过扩散层到达电催化层。
H2在催化剂表面发生电化学解离吸附，进行如下电极反应：H2 = 2 H+ + 2 e此反应产生的质子(H+)通过质子交换膜传递到阴极，电子则通过外电路输送到阴极，氧气通过多孔电极扩散层传递到电催化反应区，在电催化剂的作用下，由阴极传递过来的质子和电子与O2发生如下电极反应：1/2 O2+2 H++2 e = H2O电池总反应为：H2+1/2 O2=H2O图1 质子交换膜燃料电池工作原理图目前PEMFC电催化剂是制约其商业化的关键因素之一。
至今，PEMFC主要采用的电催化剂仍是Pt基催化剂。
在PEMFC发展的早期阶段，Pt的载量高达4-10 mg/cm2，近来已降至低于0.4 mg/cm2。
高活性和高稳定性的电催化剂仍然是PEMFC研究的主要内容之一。
许多化学反应在热力学上是可行的，但它们的动力学低，自身并不能以显著的速率进行反应。
为了使这类反应具有实用价值，有必要寻找合适的催化剂，以提高反应速率。
在合适的催化剂上，反应速率有时可以提高几个数量级以上。
许多电极反应在没有电催化剂存在时，需要高的过电位下才有可能进行反应，原因是由于其缓慢的动力学过程，即这类电极反应交换电流密度较低。
因此，电催化的目的就是寻找能够提供具有较低能量的活化路径，从而使反应能够在平衡电位附近以高电流密度发生，提高反应速率。
本实验的目的就是通过电化学方法评价PEMFC 中Pt/C 电催化剂的电化学性能，为探索高效的电催化剂提供表征手段。
2、 循环伏安法 (Cyclic V oltammetry ，CV ）控制工作电极的电势以速率ν从E o 开始扫描，到时间t 时（相应电势为E t ）改变电势扫描方向，以相同的速率回扫至起始电势E o ，然后电势再次换向，反复扫描，即采用的电势控制信号为连续三角波信号。
记录下的E-i 曲线，称为循环伏安曲线（cyclic voltammogram ），如图2所示。
对于一个电化学反应R ne O ⇔+-，按照美国规定方式，正向扫描（即向电势负方向扫描）时发生还原反应R ne O →+-；反向扫描时，则发生正向扫描过程中生成的反应产物R 的重新氧化反应-+→ne O R ，这样反向扫描时也会得到峰状的E-i 曲线，见图2。
循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。
循环伏安曲线上有两组重要的测量参数：阴、阳极峰值电流pc i ，pa i 及它们的比值pc pai i 和阴、阳极峰值电势差值p E ∆=pc pa E E -。
（1） 电极可逆性的判断循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性上可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度。
若反应是可逆的，则曲线上下对称,pc i c =pa i ，p E ∆=pc pa E E -≈nF RT 3.2或p E ∆=pc pa E E -≈)25(59C mV no 。
尽管p E ∆与换向电势t E 稍有关系，但p E ∆基本上保持为常数，并且不随扫速ν变化而变化；若反应不可逆，逆反应非常迟缓，正向扫描产物来不及发生反应就扩散到溶剂内部，则曲线上下不对称，pc i ≠pa i ，p E ∆>nFRT 3.2，且随ν增大而增大，p E 比nFRT 3.2大得越多，反应的不可逆程度就越大。
E pci pa 0.2 -0.2 C u r r e n t i pcE 1E 2V o l t a g e Time VoltageE pa图2 三角波电势扫描信号及循环伏安曲线（2） 电极反应机理的判断循环伏安法还可研究电极吸附现象、电化学反应产物、电化学-化学耦联反应等。
对于有机物、金属有机化合物及生物物质的氧化还原机理研究很有用。
在燃料电池电催化剂的研究中，经常采用循环伏安法测量Pt 基电催化剂的电化学活性表面积，测试装置如图3所示。
图3 循环伏安法测试装置示意图(1) 计算机及数据记录 (computer and recorder)；(2) 恒电位仪 (potentiostat/galvanostat)；(3)电解池 (electrolytic cell)；(4) 工作电极 (working electrode)；(5) 参比电极(reference electrode)；(6)辅助(对)电极 (auxiliary electrode)；(7) 稳流阀；(8) 脱氧管(deoxidizer tube)；(9) 氮气气瓶（nitrogen cylinder ）(7、8、9为电解液除氧系统).3、 旋转圆盘电极技术（RDE ）由于旋转圆盘电极能保持电极各处扩散厚度一致，电极表面上的电流密度，电极电位以及传质流量都是均匀的。
和静止电极相比具有以下优点：浓差极化稳定，极化曲线稳定性好，可以测量比较迅速的电化学反应。
旋转圆盘电极技术应用很广，可以测定扩散系数，反应级数，交换电流密度，也可以用来判断电极过程的控制步骤。
对于某些体系，在自然对流条件下，由于浓差极化的影响，无法用稳态极化曲线测定电极动力学参数，但采用旋转圆盘电极，随着转速(ω)的提高，使本来为扩散控制或混合控制的电极过程转变为活化控制，可以利用稳态极化曲线测定动力学参数。
根据Fick 第一定律δs o o oC C nFAD i -=* (1)可以得到扩散电流为: 2/1*6/13/2)(62.0ωνs o o o C C nFAD i -=- (2) 其中o D 为反应物的扩散系数，ω是角速度，ν溶液的动力粘度，C 是浓度，A 是旋转圆盘电极的几何表面积。
若n 、o D 、ν中任意两个参数已知，就可用旋转圆盘电极法测试结果求另一个参数。
为此，通常测定不同转速下的某一电位电流i ，然后用i -2/1ω作图，得一条直线，从直线斜率可求出相应参数。
此外，采用旋转圆盘电极法还可以判断电化学反应的控制步骤。
在某一极化超电势η下，若随着旋转圆盘电极转速的增加，反应的电流增加，则说明是扩散控制或混合控制，用i 1-2/1-ω作图，若得到过原点的直线，说明扩散控制；若得不到过原点的直线，说明是混合控制。
若ω改变，而i 不随之改变，则说明是活化控制过程。
典型的氧还原RDE 阴极极化曲线图4所示： -0.4-0.20.00.20.40.60.8 1.0-4-3-2-10C u r r e n tD e n s i t y (m A /c m 2)Potential (V vs. SCE )Pt/C 0.5 mol/L H 2SO 45 mV/s 1600 rpm图4 Pt/C 催化剂上氧还原的阴极极化曲线三、 实验方法与步骤1、 实验仪器与材料恒电位/恒电流仪，旋转圆盘电极；Pt/C 电催化剂，Nafion 溶液，无水乙醇；电解池为三电极电化学测试体系，工作电极为涂有催化剂薄层的玻璃碳圆盘电极，对电极为Pt 片，参比电极为饱和甘汞电极（SCE ）；高纯N 2；高纯O 2。
2、 实验方法与操作步骤a) 电化学活性表面积测试I 、测试方法1）配制0.5 mol/L 硫酸溶液；2）准确称取5.0 mg （±0.1 mg ）催化剂，依次加入100 μL 5% Nafion 溶液、0.9 mL 乙醇；3）使用超声波，超声分散30 min 使浆液混合均匀，超声过程中需保持水浴温度不超过20℃；4）对玻璃碳电极进行抛光处理，用蒸馏水冲洗多次，备用；5）取10 μL 分散好的浆液分两次均匀地滴到玻璃炭电极上，自然干燥后，放入真空干燥箱，80℃烘烤30 min ，作为工作电极；6）实验开始前，检查实验系统接线是否正确，检查电解池是否装配合理，参比电极是否正常。
然后通高纯氮气20 min 以除去溶液中的氧；7）将涂有催化剂薄层的圆盘电极置于0.5 mol/L 硫酸溶液中，并与恒电位/恒电流仪连接；8）开机，选择恒电位仪软件的循环伏安法(CV)，测量氢脱附峰的面积。
