用于高温质子交换膜燃料电池的聚合物电解质膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池在降低燃料电池水热管理复杂性、催化剂中毒方面有明显优势;可改善电池阴阳两极尤其是阴极氧气还原反应的动力学特性,提高电池的效率。聚合物电解质膜作为关键材料之一,在高温时易失水导致质子传导率降低、机械强度和热稳定性不高等问题。本文基于磺酸、磷酸和离子液体等不同质子传递介质,对高温聚合物电解质膜进行综述,比较了各类聚合物电解质膜的优缺点及应用时存在的问题,着重探讨嵌段共聚物在高温聚合物电解质膜方面的潜在应用,指出离子液体的添加不但可作为质子载体,而且在构建嵌段聚合物结构方面可发挥"诱导剂"作用。提出通过分子设计可更好了解嵌段聚合物的空间构效关系,进而通过结构设计提高膜的质子传导性能和稳定性。     

燃料电池用碱性膜材料的研究进展

碱性膜直接甲醇燃料电池因为结合了质子交换膜燃料电池和液体碱燃料电池的优点而产生自身独特的性质,使其可以在一定程度上弥补质子交换膜燃料电池以及液体碱燃料电池的缺点而尤其引人关注。其中碱性膜电解质为碱性膜燃料电池的核心组件,其性能直接关系到燃料电池的性能及寿命。截至目前,关于碱性膜材料的制备及应用方面的报道较多,涉及的碱性膜电解质的种类也较多。本文以燃料电池用碱性膜电解质为综述内容,对国内外关于碱性膜电解质的研究报道进行系统的梳理和介绍。     

氮杂环离子液体及其衍生物在高温质子交换膜中的应用研究进展

回顾了近年来氮杂环类离子液体作为离子传导介质在高温质子交换膜中的应用,主要体现在直接物理掺杂、高分子主链修饰改性、采用无机有机复合技术在膜内锚固3个方向。采用离子液体与聚合物电解质直接掺杂所制备的质子交换膜在高温条件下表现出了优异的质子传导性能,但离子液体容易随电极反应生成的水而流失,进而造成电池性能下降的缺点限制了其实际应用;采用离子液体单元对高分子主链进行修饰可以实现离子液体在质子交换膜内的固定,而复杂的合成工艺以及离子液体单元的低柔顺性导致的低电导率是其存在的缺点;通过离子液体修饰的无机纳米氧化物与聚合物电解质的掺杂也可以实现离子液体在质子交换膜中的固定,这类膜材料的制备难点在于连续质子传导相的形成以及提高离子液体单元的可移动性。在对上述3个主要研究方向的特点进行概括和评述的基础上,指出通过有机无机复合技术实现离子液体在质子交换膜内的固定并提高离子液体的局部柔顺性是未来高温质子交换膜的重点研究方向。     

质子交换膜燃料电池研究现状及发展

质子交换膜燃料电池是一种高效清洁的发电技术,具有反应动力学快、启动温度低等特点。目前质子交换膜燃料电池技术发展迅速,有望得到广泛推广和普及。本文从质子交换膜燃料电池核心组件出发,对近年来质子交换膜燃料电池的发展进行了简要概述。从材料出发,对核心组件进行分类,详细介绍了质子交换膜、催化剂以及气体扩散层的研究现状和技术特点,综述了各组件的研究方法、改进方法以及研究进展,展望了质子交换膜燃料电池的研究方向和未来发展趋势。基于高温环境下的各种优势,具有短侧链、低当量的且适用于高温低湿环境的质子交换膜仍将是重点研究对象。质子交换膜燃料电池将进一步向低Pt甚至无Pt方向发展,同时未来将实现无增湿条件下的水平衡。     

质子交换膜燃料电池用磺化聚醚醚酮膜的研究进展

Nafion膜具有优良的化学稳定性和导电性能,但是它成本高,高温下几乎不导电。本文回顾了Nafion替代膜之一——磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜及SPEEK/离子液体（IL）复合膜的研究进展。介绍了SPEEK制备的两种方法：直接磺化法和磺化单体聚合法,其中直接磺化法工艺简单,但磺化度（DS）≤1.0,反应较难控制;磺化单体聚合法DS可控,但工艺复杂,原料有毒。简述了温度、反应时间、原料配比、磺化单体种类、制膜工艺及溶剂对SPEEK膜性能的影响：直接磺化法中DS与温度成负相关,与反应时间成正相关,与原料配比关系不大;磺化单体聚合法中DS受磺化单体的种类和氟酮与磺化氟酮的比例影响较大。着重介绍了SPEEK/咪唑离子液体复合膜和SPEEK/季铵盐离子液体复合膜的研究现状及应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）时存在的问题。最后对SPEEK/IL复合膜未来的研究方向进行了展望,即解决燃料电池运行过程中复合膜中离子液体流失及与Pt基催化剂相容性等关键问题,以提高PEMFC的性能。     

用于燃料电池的聚合物电解质膜及其改性方法

聚合物电解质膜是质子交换膜燃料电池的核心部件.目前广泛使用的全氟质子交换膜(如Nafion(R)系列)存在着价格昂贵、使用温度有限、甲醇渗透率高以及降解再生困难等缺点.对聚合物基质材料进行物理或化学改性,可以提高质子传导率、改善机械强度等性能,获得高性能、低成本的质子交换膜.从聚合物材料改性的角度,综述了燃料电池用聚合物电解质膜的制备方法和电化学性能,并对各种改性方法进行了比较.     

氢燃料电池电催化剂研究进展

目前铂（Pt）及其合金仍是氢燃料电池首选催化剂,但是Pt高价格、低储量及循环稳定性差等缺点严重阻碍了氢燃料电池商业化,因此发展低成本、高性能的新型非Pt催化剂和低Pt催化剂是实现氢燃料电池商业化的关键。本文围绕燃料电池催化开发及使用过程中存在的成本、稳定性和毒化问题,回顾了近年来阴离子交换膜燃料电池和质子交换膜燃料电池催化剂分别在提高阳极催化剂活性、降低阴极催化剂成本领域的最新研究进展,包括催化剂的组成、结构以及颗粒尺寸等对催化活性、稳定性的影响。最后针对燃料电池催化剂存在的问题,指出未来应基于原位观测和表征技术加强对碱性氢氧化机理的研究,同时开发高温制备小尺寸高有序度的有序铂合金阴极催化剂的方法是未来的研究重点。     

燃料电池用阴离子交换膜的研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)是一种以碱性阴离子交换膜为电解质的新型燃料电池。结合了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和传统碱性燃料电池(AFC)的优点,从根本上摆脱了对贵金属催化剂的依赖,具有广阔的应用前景。阴离子交换膜是阴离子交换膜燃料电池的核心材料之一,其电导率及稳定性制约了碱性阴离子交换膜(AEM)的发展。从提高AEM的电导率及耐碱稳定性两个方面,对近期报道的研究工作进行梳理总结。     

乙烷质子交换膜燃料电池的研究

研究了以乙烷作为燃料、全氟磺酸高分子膜(Nafion膜)作为质子交换膜、Pt或Pt-Ru作为电极催化剂主要组分、并通过掺杂Nafion膜作为电极内的离子导体构成的燃料电池电化学性能.研究了两种电极催化剂:Pt与Pt-Ru复合催化剂的制备及构成的单电池在不同温度及运行时间下的电化学性能.温度增加,电池性能变好;运行时间增加,电池性能下降,在相同的温度与运行时间下,Pt-Ru复合催化剂构成的电池比Pt催化剂构成的电池极化小.通过分析电极反应产物,探讨了乙烷电极及电池的反应机理.结构为C2H6,( Pt-Ru+膜材料复合阳极)/Nafion膜/(Pt+膜材料复合阴极),O2 的质子交换膜燃料电池,在150℃时,电池的最大输出电流和功率密度分别高达70 mA·cm-2和22 mW·cm-2.     

燃料电池高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池具有反应动力学快、CO耐受性高等特点,但磷酸掺杂的高温质子交换膜因磷酸的流失和聚合物的降解等原因导致燃料电池的输出功率发生衰减。本文通过介绍聚苯并咪唑衍生物的高温质子交换膜、聚苯并咪唑的复合型质子交换膜、新型芳基聚合物的高温质子交换膜,阐明聚合物的主链结构、官能团结构以及复合填料对高温质子交换膜性能的影响。在近期的研究报道中,提高膜性能的主要策略包括提升自由体积、建立交联结构、嵌段共聚、复合掺杂（ILs、MOFs、PIMs、MO_x）、阳离子官能团修饰等。文章指出,在未来的研究中应该加强对磷酸基高温质子交换膜质子传输通道结构的进一步理解,关注聚合物化学降解和物理性能衰败的原因,并开发更多的新型聚合物材料。     

Ionic liquid modified Pt/C electrocatalysts for cathode application in proton exchange membrane fuel cells

The modification of Pt/C catalyst by using ionic liquids to improve their catalyst activities has been reported by many researchers, but their practical behavior in operating fuel cells is still unknown. In this work, we study the ionic liquid modified Pt/C nanoparticle catalysts within cathodes for proton exchange membrane fuel cells. The influence of the ionic liquid amount, adsorption times and dispersing solvents are investigated. The experiment results show the best performance enhancement is achieved through two-time surface modification with 2 wt-% ionic liquid solution. The mechanisms are explored with the attribution to the high oxygen solubility in the ionic liquid enabling an improved oxygen diffusion in micropores and to good hydrophobicity facilitating water expelling from the active sites in fuel cell operation.     

磺化聚醚醚酮掺杂叔铵盐类离子液体复合膜的制备及离子液体与Pt/C催化剂的相容性

采用中和法制备了两种叔铵盐类离子液体[（CH₃CH₂）₃NH⁺][HSO₄^-]（简称TEAS）及[（CH₃CH₂）₃NH⁺][H₂PO₄^-]（简称TEAP）,傅里叶红外光谱图表明制备的离子液体为TEAS及TEAP。并将制备的叔铵盐类离子液体掺杂到不同磺化度的磺化聚醚醚酮（简称SPEEK）中,通过溶液浇铸法制备了SPEEK/IL复合膜,对复合膜进行了差示扫描量热（DSC）表征,测试了复合膜中离子液体的流失率及其与Pt/C催化剂的循环伏安（CV）及氧还原（ORR）曲线。SPEEK掺杂叔铵盐类离子液体后,由于叔铵盐离子液体以化学力与SPEEK网状结构中的磺酸基结合,导致复合膜的热稳定性下降,但同时也降低了复合膜中的离子液体流失率。CV及ORR曲线表明,Pt/C催化剂与叔铵盐离子液体电化学窗口相差较小,氧还原活性降低少,两者相容性较好。此类复合膜在质子交换膜燃料电池中具有应用前景。     

重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池研究进展与展望

甲醇作为一种安全便捷的液态储氢燃料,具有高含氢量以及高体积能量密度,可经重整为富氢气后与燃料电池系统集成为重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池,从而高效地将甲醇和氧气的化学能转变为电能。本文针对重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池的不同类型（外置重整型和内置重整型）,分别对其系统集成的实现与发展进行了总结,并介绍了其现阶段在军用和民用方面的应用情况,同时指出了技术研究与应用存在的瓶颈,并对未来的研究方向进行了展望。未来提升重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池性能的努力在于开发低温工作的高效甲醇重整催化剂,以及高温稳定运行的聚合物电解质膜和非贵金属材料等燃料电池关键材料。     

Enhanced high-temperature polymer electrolyte membrane for fuel cells based on polybenzimidazole and ionic liquids

Polybenzimidazole (PBI)/ionic liquid (IL) composite membranes were prepared from an organosoluble, fluorine-containing PBI with ionic liquid, 1-hexyl-3-methylimidazolium tri?uoromethanesulfonate (HMI-Tf). PBI/HMI-Tf composite membranes with different HMI-Tf concentrations have been prepared. The ionic conductivity of the PBI/HMI-Tf composite membranes increased with both the temperature and the HMI-Tf content. The composite membranes achieve high ionic conductivity (1.6 × 10⁻² S/cm) at 250 °C under anhydrous conditions. Although the addition of HMI-Tf resulted in a slight decrease in the methanol barrier ability and mechanical properties of the PBI membranes, the PBI/HMI-Tf composite membranes have demonstrated high thermal stability up to 300 °C, which is attractive for high-temperature (>200 °C) polymer electrolyte membrane fuel cells.     

低铂燃料电池氧还原催化剂的制备技术研究进展

低铂燃料电池催化剂铂载量低,在具有较高活性的同时能够极大地降低燃料电池的成本,因此,开发低铂燃料电池催化剂一直是燃料电池催化剂的重要研究方向。本文综述了低铂燃料电池催化剂的最新研究进展,对低铂燃料电池催化剂进行了分类,包含Pt基合金结构催化剂、Pt基核壳结构催化剂、Pt单原子层结构催化剂和Pt单原子催化剂等;详细介绍了几种低铂燃料电池催化剂的制备方法,主要包括有机溶胶法、电化学还原沉积法、气相沉积法、原子层沉积法、离子液体法、微波法,并对各自的优缺点进行了总结;重点强调了核壳结构电催化剂的制备方法,包括两步有机溶胶法、脉冲电沉积法、表面去合金化法、欠电位沉积法以及中空构型核壳结构催化剂的制备。最后指出可控制备具有高活性和高稳定性的低铂核壳结构催化剂是质子交换膜燃料电池实现商业化的重要研究方向。     

氧化石墨烯在燃料电池质子交换膜中的应用

保护环境，开发环保型能源，对人类和社会具有重要意义。质子交换膜燃料电池由于其能量转化率高，可实现零排放，近年来引起了电池领域研究者们的兴趣。氧化石墨烯（GO）由于存在活性氧官能团，可以和离子型聚合物进行复合以制备复合质子交换膜。氧化石墨烯类的复合质子交换膜应用于燃料电池时可以提高膜在高温低湿度条件下的质子传导率，降低甲醇渗透率，提高电池的功率密度。本文首先介绍了氧化石墨烯的制备方法，然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发，详细介绍了氧化石墨烯在Nafion、聚醚醚酮、聚苯并咪唑和壳聚糖等不同种类的离子型聚合物中的应用现状及作用机理，同时对其在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。     

聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮高温聚合物电解质膜及燃料电池堆性能研究

基于磷酸掺杂聚苯并咪唑膜（PA/PBI）的高温聚合物电解质膜燃料电池具有高的输出功率和优异的稳定性,然而PBI膜昂贵的价格和复杂的制备工艺限制了高温聚合物电解质膜燃料电池的商业化应用。本研究以成本低和制备工艺简单的聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮（PES-PVP）膜的商业化应用为目标,小规模制备了幅宽为40 cm的PES-PVP复合膜,证实了流延法放大制备PES-PVP复合膜的可行性。PES-PVP膜中每个PVP重复单元的吸附量达4.9个磷酸（PA）分子,且在180℃的质子电导率达85 mS·cm^-1。此外,尺寸为165 cm²的PA/PES-PVP高温膜电极在150℃的输出功率达0.19 W·cm^-2@0.6 V,与同尺寸的商业化PA/PBI高温膜电极的输出功率相当,并在近3000 h的寿命测试中展示出良好的稳定性。最后,将PA/PES-PVP高温膜电极（单片有效面积200 cm²）组装高温膜燃料电池短堆,其中基于3片膜电极的短堆展现出良好的电堆启停稳定性;基于20片膜电极电堆的峰值功率达1.15 kW。以上结果表明所制备的PA/PES-PVP是一种性能优良、价格便宜的高温聚合物电解质膜材料,并且基于该膜材料组装的高温聚合物电解质膜电池和电堆性能优异。本研究工作为高温聚合物电解质膜燃料电池关键材料和电堆的国产化提供了研究基础。     

Polymer membranes for high temperature proton exchange membrane fuel cell: Recent advances and challenges

Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered to be a promising technology for efficient power generation in the 21st century. Currently, high temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFC) offer several advantages, such as high proton conductivity, low permeability to fuel, low electro-osmotic drag coefficient, good chemical/thermal stability, good mechanical properties and low cost. Owing to the aforementioned features, high temperature proton exchange membrane fuel cells have been utilized more widely compared to low temperature proton exchange membrane fuel cells, which contain certain limitations, such as carbon monoxide poisoning, heat management, water leaching, etc. This review examines the inspiration for HT-PEMFC development, the technological constraints, and recent advances. Various classes of polymers, such as sulfonated hydrocarbon polymers, acid-base polymers and blend polymers, have been analyzed to fulfill the key requirements of high temperature operation of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). The effect of inorganic additives on the performance of HT-PEMFC has been scrutinized. A detailed discussion of the synthesis of polymer, membrane fabrication and physicochemical characterizations is provided. The proton conductivity and cell performance of the polymeric membranes can be improved by high temperature treatment. The mechanical and water retention properties have shown significant improvement., However, there is scope for further research from the perspective of achieving improvements in certain areas, such as optimizing the thermal and chemical stability of the polymer, acid management, and the integral interface between the electrode and membrane.