质子交换膜燃料电池膜电极的结构优化

膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的核心部件,为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。为了实现燃料电池商业化目标,需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。在MEA中除了催化剂以外,各功能层结构、层与层之间的界面都对MEA的性能具有重要影响。传统方法(CCS法和CCM法)制备的MEA在结构上有很多缺陷,明显制约了Pt的利用率和系统传质能力。通过优化各功能层结构消除缺陷,将有利于进一步提升PEMFC综合性能。本文从传统MEA结构存在的问题出发,梳理了近年来关于催化层、质子交换膜和气体扩散层结构优化方面的文献,归纳总结了各先进结构的制备方法、构效关系以及优缺点,对未来高性能、低成本和长寿命的MEA的开发具有指导意义。     

膜电极结构对质子交换膜燃料电池性能的影响

膜电极(MEA)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一，其结构和组成对电池的性能有着重要的影响。提高膜电极性能的一个重要的指导思想是在催化粒子的周围形成良好的质子、电子和气体通道。以此为主线，从电极制备工艺的发展历程，Nafion的使用与质子通道的改进、电子通道的改进、阴极催化等几个方面详细地总结和讨论了近年来MEA的研究状况，并在此基础上对MEA的进一步研究提出了若干建议。     

质子交换膜燃料电池CCM的制备条件对其性能的影响

采用催化剂涂覆的膜(CCM)和碳纸扩散层组成质子交换膜燃料电池的膜电极.CCM采用直接喷涂的方法制备,研究了与直接喷涂技术相关的影响因素,包括催化层中Nafion的含量和分布、有机溶剂的种类、喷涂操作条件等.CCM的表面形貌和孔结构采用扫描电镜(SEM)方法表征,MEA的电化学特性通过单体PEMFC的I-V曲线进行评价.实验结果表明,在优化条件下制备的CCM膜电极的结构和性能有明显的改善.     

含磷酸结构全氟磺酸质子交换膜研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有独特的能源转化和储存方式，因此引起了科学家广泛的研究兴趣.全氟磺酸质子交换膜(PFSA)是目前低温型PEMFCs(<100℃)中应用最为广泛的关键核心材料之一，在很大程度上决定着PEMFCs的性能优劣.提高工作温度可以赋予PEMFCs更高的转化效率、更快电极反应、更高的杂质耐受能力、更便捷的水热管理方式等，然而，质子交换膜(PEM)在高温下的传质性能衰减阻碍PEMFCs的高温应用.引入磷酸结构是目前改善PEM高温传质性能常用的策略.本文总结了近年来含磷酸结构全氟磺酸质子交换膜的研究进展，并讨论了引入磷酸结构后存在的问题，为后续的高温质子交换膜的研究工作提供指导作用.     

电去离子(EDI)过程的水解离动力学分析

基于Nernst-Planck方程建立了EDI过程的传质动力学微分方程.根据此传质模型方程获知,EDI过程中在阴阳离子交换膜/树脂表面与溶液接触的界面层中发生的水解离的差异性,是在于离子交换界面电势梯度的差异,而这种差异又与膜和树脂的结构、性能以及阴阳离子在水溶液中的迁移数的差异有关.     

高温质子交换膜的研究进展

高温质子交换膜能解决传统燃料电池电极催化剂CO中毒、复杂的水热管理等问题,成为当今燃料电池发展研究的焦点。结合质子交换膜的结构与性能之间的关系,分析了分子结构设计对膜性能的重要影响,总结了接枝型、复合型质子交换膜、新型耐热交换膜的研究现状。对有机/无机粒子复合膜材料,磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)、聚芳硫醚砜(PASS)等类型膜材料进行了评述,为高温质子交换膜的研究指明了方向。     

直接甲醇燃料电池MEA材料的研究及制作进展

综述了近年来直接甲醇燃料电池的膜电极制作材料的研究、质子交换膜的研究、电极结构的研究、MEA的制作工艺等。     

炭纸/石墨基体NiHCF膜的碱金属离子分离性能

采用毛细化学沉积法在炭纸/石墨颗粒复合导电基体的微孔通道内合成铁氰化镍(Nickel hexacyanoferrate,NiHCF)薄膜,并考察了膜电极在碱金属溶液中的电控离子交换性能.通过扫描电子显微镜、能量色散谱、X射线光电子能谱、红外分子吸收光谱等分析了复合薄膜电极的表面形貌及组成;利用离子色谱检测了再生液中碱金属离子浓度变化;应用循环伏安法在1 mol · L~(-1) KNO_3/C_sNO_3溶液中考察了膜电极的离子交换容量、循环寿命与再生能力.结果表明:炭纸/石墨复合基体具有三维多孔结构特征,复合基体NiHCF膜电极具有大的离子交换容量、低的扩散阻力、良好的循环稳定性与再生能力,可用于碱金属离子的选择性分离.     

界面聚合中单体结构对复合支撑液膜稳定性的影响

以界面聚合法在支撑液膜的支撑体基膜表面形成一层亲水层,研究了界面聚合改性过程及水相单体结构对复合支撑液膜渗透性和稳定性的影响,以膜表面zeta电位、接触角、透油速率和液膜萃取过程传质通量衰减率对复合膜性能加以表征。结果显示,界面聚合时先浸水相再浸油相,膜表面的荷负电性强,有利于金属阳离子(以Ni(Ⅱ)为代表)的传输。支撑液膜萃取镍(Ⅱ)结果显示,原膜传质通量在30h内由358.2mg/(m2·h)降为0,而赖氨酸分子因具有强亲水基团羧基且脂肪链的引入会增加聚合物大分子的柔曲度,以其制备的复合液膜支撑体表面具有较好的亲水性,对液膜相的锁闭能力较强,Ni(Ⅱ)的传质通量在30h内仅衰减28.3%,有利于增强支撑液膜在长期运行中的稳定性。     

微结构对环铵型酚酞聚芳醚砜阴离子交换膜性能的影响

制备了一系列结构微小差异的环铵型酚酞聚芳醚砜阴离子交换膜材料(PES-PPH-R-OH),并通过核磁共振氢谱对其结构进行了表征,详细评价了膜的热性能、力学性能、微相分离结构、离子交换容量(IEC)、吸水率、溶胀率及离子传导率等性能,重点研究并揭示了功能基团微小化学结构差异对相应膜性能的影响规律.研究结果表明,功能环铵基团的微小结构差异(单个元素的差别)对膜的微相分离结构、吸水率、电导率等性能有显著影响.其中,PES-PPH-Pip-OH膜具有最高的电导率,80℃时,其电导率高达83.53 mS/cm,有望成为新型阴离子交换膜并在燃料电池中得到应用.     

乙醇胺添加剂对AZ91D镁合金表面磷化膜耐蚀性能的影响研究

以磷酸盐化学转化膜为研究体系,采用动电位极化和交流阻抗分析方法及检测手段,研究乙醇胺添加剂及其浓度对AZ91D镁合金磷化膜耐蚀性能的影响.研究发现,(1)乙醇胺(MEA)作为添加剂可有效改善AZ91D镁合金表面磷化膜的耐蚀性能.在MEA添加量为1.2g/L时,磷化膜的耐蚀性最好.添加乙醇胺1.2g/L时制备的磷化膜,在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的耐蚀性能比AZ91D镁合金基体提高了10倍;(2)MEA浓度在0.4～1.2g/L时,磷化膜的R_(ct)随MEA浓度增加成线性增长关系.MEA浓度1.2g/L时达到最大值.磷化膜的R_p在MEA浓度为1.2g/L时达到最高值.当MEA浓度继续增加时,R_p明显下降.MEA浓度控制在0.8＜C_(MEA)＜1.6g/L时获得的磷化膜的耐蚀性能最好.     

聚合物离子交换膜的电导率优化及电致响应研究

首先制备了银纳米粒子(Ag NPs)搭载的氧化石墨烯(GO)分子膜;接着,将之均匀分散在商业Nafion溶液中,得高储水、导电的GO/Ag杂化离子交换膜;然后,在膜两侧沉积Pt纳米电极,最终获得杂化的离子交换聚合物-金属复合材料(IPMC)电致动器。IPMC的交流阻抗谱(EIS)和电致响应测试结果表明,GO/Ag掺杂后,离子交换膜的电导率增加,IPMC的偏转角和力输出随着增加;IPMC的电致动性能与离子交换膜的电导率紧密相关,电导率可作为评价IPMC电致响应性能优劣的有价值参数。     

聚合物质子传导电解质膜的研究进展

聚合物质子传导电解质膜(或称质子交换膜)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电解质和隔膜,其性能在很大程度上决定了PEMFC的性能.本文对目前已商业化的全氟磺酸膜和部分氟化膜以及目前正在大力开发的非氟化质子交换膜的状况及研究进展进行了介绍,并讨论了这些质子交换膜的结构、制备、性能以及它们在燃料电池中的应用.     

缠绕式中空纤维膜组件强化膜两侧传质过程

对缠绕式中空纤维膜组件强化管程及壳程的传质过程进行了实验研究,比较了缠绕式与平直式中空纤维膜组件的传质性能,并考察缠绕角对缠绕式膜组件传质系数的影响.结果表明:相同雷诺数Re时,缠绕式膜组件的传质系数,无论管程或壳程,均为平直式膜组件的2倍以上;缠绕角对缠绕式膜组件的传质性能有重要影响,缠绕角小于45°膜组件的传质效果优于缠绕角大于45°的膜组件.     

聚四氟乙烯微孔膜及其无机粒子共混膜的结构及性能

以聚乙烯醇(PVA)为成膜载体,由聚四氟乙烯(PTFE)分散乳液制得PTFE微孔膜,通过对不同烧结温度的研究得出PTFE烧结模型,在烧结初期有利于PTFE形成微孔结构.在成膜体系中引入纳米无机粒子,得到PTFE/无机粒子共混平板膜.研究了无机粒子对共混膜结构及性能的影响,结果表明PTFE与碳酸钙(CaCO_3)粒子的粘结性差,在烧结成型过程中PTFE基质相与CaCO_3产生界面相分离形成微孔,形成的界面微孔不同于PTFE双向拉伸产生的纤维-结点状裂隙孔结构.共混膜经适当拉伸后孔隙率显著提高.     

低雷诺数下溴化锂溶液降膜吸收热质传递的数值研究

溴化锂溶液降膜吸收是吸收式空调系统中常见的热质传递形式之一。本文对溶液降膜吸收过程的热质耦合传递分析,建立了溴化锂溶液垂直降膜吸收热质传递的二维数学物理模型,采用CFD-Fluent对模型进行求解。计算得到不同Re下的液膜界面温度、液膜内浓度分布、传热传质通量及传热传质系数等。分析了Re对降膜吸收过程中热质传递的影响。结果表明:当液膜Re150时,液膜界面平均温度与平均传质系数随着Re的增大而增大,而平均传热系数随着Re的增大而减少;平均传热传质通量均是随着Re的增大而先增大后减小,存在一个最佳液膜Re使降膜吸收过程的传热传质通量达到最大,即Re=50时,平均传热和传质通量分别达到最大值7.2 k W/m~2与2.9×10~(-3)kg/(m~2·s)。     

磺化聚苯醚/介孔氧化硅杂化阳离子交换膜的制备及性能研究

利用溶胶-凝胶反应制备了带有氨基的介孔氧化硅,通过溶液共混的方法将其与磺化聚苯醚(SPPO)溶液混合制备出有机-无机杂化阳离子交换膜.利用NaOH/Na2WO4体系的扩散渗析回收废碱过程对膜的性能进行了测试,结果显示,介孔氧化硅的引入可以在一定程度上解决膜分离过程中的"trade-off"效应:杂化膜的离子通量高于纯SPPO膜的离子通量,分离因子也保持在较高的水平.通过对传质机理的研究,认为介孔氧化硅的孔结构及其表面的-NH2对离子传递有重要的促进作用.     

Nafion膜高温改性研究进展

Nafion膜作为商业化应用最成熟的膜材料在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中得到广泛应用.特殊的大分子结构使Nafion膜在中低温条件下具有优异的综合性能.然而当燃料电池工作温度升高到100℃以上时，由于蒸发失水Nafion膜的质子电导率会出现迅速衰减，同时失水造成的膜体积变化对其机械稳定性也造成不良影响；另一方面，燃料电池工作温度的提升不仅能够改善电极相关反应的动力学，还可以有效提升催化剂对于一氧化碳、硫化氢等杂质气体的抗毒化能力.因此，Nafion膜在高温、低湿条件下综合性能的改善将进一步促进PEMFC技术的高温实用化进程.本文针对近些年Nafion膜高温改性研究相关工作，重点从改性材料以及改性修饰策略两方面进行了梳理和总结.     

石墨电极表面聚丙烯腈纳米纤维膜的制备及性能

为了充分利用纳米纤维膜的多孔特性,同时克服其低机械强度的缺陷,以聚丙烯腈(PAN)为主要原料,采用静电纺丝法在石墨电极表面制备PAN纳米纤维膜,形成隔膜-电极一体化结构单元(SAA),并对SAA的孔道结构、力学性能、电解液性能、热尺寸稳定性及电池性能进行系统研究.结果表明:SAA中PAN隔膜与石墨电极的粗糙表面结合紧密,PAN隔膜呈现出发达的孔道结构,电解液亲和性良好;在150℃热处理0.5 h,SAA表面隔膜的热收缩率小于2％,显著优于市售聚烯烃隔膜.基于良好的理化特性,SAA装配的钴酸锂全电池表现出优异的循环容量和倍率容量保持性,如在0.2 C下,经历200次循环后电池的放电容量保持率为98％,在32 C下电池的放电容量为0.5 C下的44.3％.因此,电极表面直接制备纳米纤维膜可形成完整的隔膜-电极一体化单元,在充分发挥纳米纤维膜优势的同时,可优化电极与隔膜的界面相容性、改善电池的充放电性能,并能够提高电池的装配效率.     

离子交换膜传质过程中电化学特性的研究

电化学阻抗谱和直流方法均可用来评价离子交换膜传质过程中的电化学性质,而前者可用于分析膜本身、双电层和扩散边界层的电阻值.通过比较两个等效电路的拟合效果及其物理化学意义,选择了最优的等效电路来定量分析离子交换膜体系的各个分层,并考察了不同流速和浓度下两种膜的电化学性质变化.研究发现,直流方法测定的电阻值等于电化学阻抗谱测定的各个分层的电阻值之和;随着流速的增大,膜本身和双电层的电阻变化较小,而扩散边界层的电阻明显降低;随着浓度的增大,传质体系的电阻均显著降低;阳离子交换膜和阴离子交换膜具有不同的电化学传质特性.研究结果对于优化离子交换膜的电化学评价技术及离子交换膜的制备和应用具有重要意义.