PEM燃料电池阴极催化剂层的模型及性能分析_吴玉厚

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。

PEMFC燃料电池催化剂稳定性能研究
摘要
本文旨在研究PEMFC燃料电池催化剂的稳定性。

首先，介绍了PEMFC
燃料电池的基本原理和催化剂的结构，随后介绍了改善催化剂稳定性性能
的方法，包括熔点调节、金属催化剂表面改性、Pt氧化物形成和添加抗
氧化剂。

然后，本文介绍了银催化剂的稳定性性能测试，其中以纳米粒子
的形式添加稳定剂，并且测试结果表明，在高温、低压和高湿度条件下，
添加稳定剂的银催化剂具有较高的稳定性。

最后，总结了本文研究的结论。

关键词：PEMFC燃料电池；催化剂稳定性；改善；银催化剂
1引言
随着环境问题的加剧，相对于传统的燃油发动机，PEMFC燃料电池具
有更安全、更高效、更可控的特点，正逐渐成为国家战略发展的重要方向[1]。

然而，PEMFC燃料电池的使用受到外界因素，如湿度、电池温度和
压强的限制。

特别是催化剂稳定性的影响，直接关系到PEMFC燃料电池的
使用寿命[2]。

因此，研究如何提高催化剂的稳定性就显得尤为重要。

本
文通过对PEMFC燃料电池催化剂的研究，提出了改善催化剂稳定性的方法，并通过银催化剂的稳定性性能测试，验证了改善催化剂稳定性的有效性。

2PEMFC燃料电池催化剂的结构。

质子交换膜燃料电池流道结构对反应气体流动、热交换、电化学反应具有重要影响。

目前，常见流道集中在蛇形、叉指形、点状形、波浪形、平行直流道以及相关改进流道，且在气体均匀性、水管理性能和输出性能上仍有待改进。

受数学几何领域的科赫曲线启发，本团队提出了一种新型流道结构，即以圆心为中心向四周辐射，并在6条主干流道的基础上依次添加不同级别的分支流道，最终形成30个流道出口。

建立三维稳态单向等温的燃料电池模型，在工作温度为60 ℃，进气相对湿度为100%工况下，搭建燃料电池测试平台进行实验，并借助ANSYS Fluent 2020进行仿真，模型仿真结果与实验结果基本吻合，验证了模型的有效性。

将新型流道与传统蛇形流道仿真结果进行比较，分析膜电极电流密度、流道氧气质量分布、流道与气体扩散层交界面水质量分布、膜水含量、流道压力等，结果表明，相比蛇形流道，新型流道的进排气口压降较小、流速较慢，但具有反应气体分布更均匀、水管理效果更好和膜电流密度、输出功率更高等优势，且峰值电流密度增加9.60%、峰值功率密度增加12.70%，有望为燃料电池流道结构创新提供新的思路。

关键词质子交换膜燃料电池；科赫曲线；新型流道；数值模拟燃料电池是一种电化学能量转换装置，能够直接将化学能转换为电能，且不受卡诺循环限制，具有较高的能量利用率。

其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)因其高效、清洁、噪声小、功率密度高、工作温度低、启停响应快等优点受到全球广泛关注。

然而PEMFC大规模商业化过程仍然存在如耐久性、内部组分分布不均导致的输出性能降低等技术问题。

双极板是PEMFC中的一个重要结构，具有支撑电池、传导电子、输送反应气体、传导散热、排除水分等作用，可以考虑通过改进极板内部流道设计来提升PEMFC整体性能，加速PEMFC发展。

此外，良好的流道设计可以促进反应气体在活性区的均匀分布，并确保传质的效率和稳定性，降低反应气体的压力损失、寄生功率。

质子交换膜燃料电池双催化层阴极引言质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种高效、清洁的能源转换设备。

它以氢气和氧气为燃料，通过电化学反应产生电能，并释放出水作为唯一的副产品。

在PEMFC中，阴极是一个关键的组件，其催化层起到促进氧气还原反应的作用。

为了提高PEMFC的性能，双催化层阴极被广泛研究和应用。

双催化层阴极的作用双催化层阴极是PEMFC中承担氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）的关键组件之一。

它由两个不同功能的催化层构成：外层通常由贵金属Pt或其合金组成，起到直接催化ORR的作用；内层则由过渡金属或其氧化物组成，主要用于增强传质和导电性能。

双催化层阴极材料选择外层材料选择外层材料需具有较高的ORR活性和稳定性。

目前，贵金属Pt及其合金被广泛应用于PEMFC中的外层催化层。

Pt具有良好的ORR催化活性，但成本较高。

因此，研究人员正在寻找替代材料，如过渡金属氧化物、碳基材料等。

内层材料选择内层材料需具有较好的导电性和传质性能，以促进ORR反应的进行。

常见的内层材料包括过渡金属（如Co、Ni等）及其氧化物。

这些材料不仅具备良好的导电和传质性能，还能起到增强外层催化剂稳定性的作用。

双催化层阴极制备方法外层制备方法外层制备方法主要包括物理混合法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等。

其中，物理混合法是最简单且常用的方法，即将贵金属颗粒与导电剂（如碳黑）进行混合；溶胶-凝胶法则通过溶胶-凝胶过程将前驱体转化为固体膜；共沉淀法则通过共沉淀反应制备催化剂。

内层制备方法内层制备方法主要包括旋涂法、离子交换法、电化学沉积法等。

旋涂法是一种简单易行的方法，通过将过渡金属盐溶液涂覆在导电基底上，然后进行热处理得到薄膜；离子交换法则通过阳离子交换膜将过渡金属离子转移到导电基底上；电化学沉积法利用电化学反应在导电基底上沉积过渡金属。

PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。

双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件, 其质量占电池堆60%以上。

流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。

系统地综述了现有的流道设计, 剖析了流道的功能及其对电池性能的影响, 并在此基础上讨论了流道设计的设计要点。

关键词: 质子交换膜燃料电池；双极板；流道设计质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源【1】。

双极板是 PEMFC 的重要部件, 其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。

实际上, 燃料电池堆的设计很大程度上就是双极板的设计。

据文献报道,适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右。

流道结构决定反应气与生成物在流道内的流动状态,设计合理的流道可以使电极各处均能获得充足的反应气并及时排出生成的水, 从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。

流场的设计要满足以下几个方面的条件:(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应剂供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂。

特别是对十大面积的电极尤为重要，电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是造成电池性能下降的主要原因之一。

(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流场沟槽的面积应有一个最优值。

沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极板的开孔率，其值应在40%～75%之间。

开孔率太高会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加电池的欧姆极化损失。

(3)由流场结构所决定的反应剂在流场内的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应点的传递，并能促进反应产物的顺利排出。

(4)在一定的流量下，反应剂通过流场的压力降要适中，一般为千帕的数量级。

压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则不利于反应剂在并联的多个单节电池间的分配。

燃料电池催化剂层的双电层1. 引言1.1 概述本文将就燃料电池催化剂层的双电层结构进行深入探讨，分析双电层对燃料电池性能的影响，并提出提升双电层性能的方法。

通过实验验证，探讨双电层在燃料电池中的应用前景，并对未来的发展方向进行展望。

通过对双电层的研究，有望推动燃料电池技术的进一步发展，为清洁能源领域的发展做出贡献。

1.2 研究意义燃料电池的效率和稳定性直接受到催化剂层的影响。

双电层结构在燃料电池中扮演着催化反应的关键角色，能够有效提高电催化活性，降低电化学反应的能量损耗，从而提高燃料电池的效率和稳定性。

深入研究燃料电池催化剂层的双电层结构对于提高燃料电池性能具有重要意义。

通过提升双电层性能，还可以降低燃料电池的成本，并推动其商业化应用。

目前，燃料电池技术在交通、能源存储等领域具有巨大潜力，然而高成本一直是其发展的主要障碍之一。

通过研究改进催化剂层的双电层结构，可以降低燃料电池的成本，加速技术的商业化进程，推动清洁能源技术的应用和推广。

研究燃料电池催化剂层的双电层结构具有重要的意义，不仅可以提高燃料电池的效率和稳定性，还可以降低成本促进商业化应用。

这对于推动清洁能源技术的发展，实现可持续能源利用具有重要的意义。

2. 正文2.1 燃料电池催化剂层的双电层结构燃料电池催化剂层的双电层结构是指在催化剂表面形成的电荷分布和电子云排布的结构。

双电层由两层组成，分别是内层电层和外层电层。

内层电层是由电子云和离子云构成的，在催化剂表面吸附有氢离子和氢分子等物质。

外层电层则是由溶质和离子构成的，起到分散和屏蔽作用。

这两层电层的形成使得催化剂表面具有很高的活性和选择性。

燃料电池催化剂层的双电层结构在燃料电池中起着至关重要的作用。

双电层的形成增加了催化剂表面的有效面积，提高了反应活性。

双电层在电子传递和质子传递过程中起到了重要作用，促进了电化学反应的进行。

双电层的形成还能有效地降低反应过程中的能量损失，提高了燃料电池的能源转化效率。

《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。

PEMFC催化剂调研报告1 PEMFC概述燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反应方式变为电能的发电装置, 它作为一种能源利用的新技术，具有洁净、高效的特点。

燃料电池技术被认为是21世纪最为重要的新能源技术之一，最有可能的石油替代技术。

其中，低温燃料电池因具有工作温度低，启动快，能量转化率高等特点，是野外电站、电动汽车、便携式电源的理想替代电源，受到广泛的重视低温燃料电池，它是指低温下使用质子交换膜工作的燃料电池，包括H2/O2质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲酸燃料电池（DFAFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）等。

目前，质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术取得了重大的突破成为燃料电池众多种类中最有希望实现商业化的低温燃料电池之一。

PEMFC为适用范围最广的燃料电池类型之一，主要包括固定式电源和移动式电源两类。

固定电源：PEMFC可以做成任意规模的发电装置，适宜作为分散型电站，可以与电网供电系统共用，主要用于调峰，也可以作为分散型主供独立电源。

移动式电源：PEMFC具有工作温度低、启动速度快、功率密度高和体积小等特点，可以用作车用动力源及一些便携小型移动电源。

其中，PEMFC电动车被公认为是电动车的未来发展方向。

1.1 PEMFC工作原理PEMFC结构和工作原理如图1所示，工作时，阳极通过管道或导气板供给燃料（H2）到达阳极，发生氧化反应，氢在阳极分解成带正电的氢离子和带负电的电子，而质子穿过质子交换膜电解质到达阴极；电池的另一端，阴极通过管道或导气板供给氧化剂（如空气），发生氧还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）。

同时，电子通过外电路流向阴极，最终，氧气与氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水。

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过连接负载输出电能。

具体的半电池电化学反应和总反应如下：阳极反应: H2 → 2H+ + 2e-（1-1）阴极反应: 1/2 O2 + 2H+ + 2e-→ H2O （1-2）总反应：H2 +1/2 O2 →H2O+ Q1+ Q2 （1-3）Q1 为反应过程中释放的电能，Q2 为反应过程中释放的热能。