聚合物电解质膜燃料电池的研究概况

简要介绍了聚合物电解质膜料电池PEMFC的工作原理，应用方向以及世界各国的公司及研究机构对PEMFC的研究概况及投资运行情况，以期引起我国对PEMFC的重视。     

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.     

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。     

燃料电池碱性聚合物阴离子膜研究进展

阴离子交换膜(AEM)是碱性聚合物电解质燃料电池APEMFC内部结构中的核心部件,但是目前因离子导电率差和化学稳定性不足等问题还不能满足APEMFC商业方面的推广应用。因此,迫切需要开发出高性能的AEM以备APEMFC使用。介绍了一些比较成熟的AEM功能化方法,并综述了近年来国内外关于APEMFC的最新研究成果。     

燃料电池碱性聚合物阴离子膜研究进展

阴离子交换膜(AEM)是碱性聚合物电解质燃料电池APEMFC内部结构中的核心部件,但是目前因离子导电率差和化学稳定性不足等问题还不能满足APEMFC商业方面的推广应用。因此,迫切需要开发出高性能的AEM以备APEMFC使用。介绍了一些比较成熟的AEM功能化方法,并综述了近年来国内外关于APEMFC的最新研究成果。     

聚合物电解质膜燃料电池用电催化剂非碳载体的研究进展

综述了近年来非碳载体材料(碳化物、氧化物、复合型氧化物、亚化学计量钛氧化物等)的研究动态,介绍了其特点和制备方法,重点评价了以其为载体的铂基催化剂的催化活性及稳定性,并与目前普遍采用的商业碳载铂(Pt/C)催化剂进行了比较. 最后,对非碳材料用作载体存在的问题进行了分析,并对此类载体材料的发展方向进行了展望,提出高比表面、高电导率、高稳定性非碳载体材料的合成及载体与贵金属之间强相互作用机理的研究是载体研究的主要方向.     

多孔纳米碳纤维作为质子交换膜燃料电池微孔层的性能

质子交换膜燃料电池膜电极中的微孔层结构对改善体系的水管理能力,提升膜电极的整体性能发挥重要作用。本文通过静电纺丝和后续热处理的方法制备了多孔纳米碳纤维（PCNF）,并以此构建膜电极的微孔层。与炭黑颗粒作为微孔层呈现出紧密堆积结构不同,由PCNF搭建的微孔层结构疏松呈现三维贯通状。膜电极的发电测试表明,以多孔纳米碳纤维作为微孔层（MPL-PCNF）的膜电极其最大功率密度达70.0mW/cm²,远高于炭黑颗粒为微孔层（MPL-CB）的膜电极（58.1mW/cm²）,而没有微孔层（Ref）结构的膜电极最大功率密度仅为27.7mW/cm²,显示出PCNF作为微孔层材料的明显优势。     

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。     

新型阻醇质子导电聚合物膜——PVA-Nafion共混膜的制备及性能研究

针对直接甲醇燃料电池(DMFC)中普遍使用NafionTM系列全氟磺酸膜而存在的甲醇穿透问题,鉴于质子、水和甲醇在传递中的相互关联,提出将目标膜视为优先透过质子的质子-甲醇分离膜,制备了在渗透蒸发醇-水分离领域有良好分离效果的聚乙烯醇(PVA)与全氟磺酸材料共混形成的PVA-Nafion共混膜并研究了膜的阻醇和质子导电性能。PVA的加入有效调节了膜内的亲、憎水平衡,使膜的阻醇效果较NafionTM商品膜提高,且共混后,膜的阻醇性能并非只是PVA和Nafion材料各自性能的简单加和平均,而是在一定配比(WNafion=60%)下出现了最优值。所制备的共混膜中有几种膜的透过系数P达到了10-8cm2穝-1,而电导率s 达10-4S穋m-1;如果以电导率和甲醇透过系数的比值(s / P)作为综合指标,共混膜的综合性能可较Nafion117商品膜高约2.5倍。     

质子交换膜燃料电池微孔层浆液微观结构与流变性

微孔层（MPL）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理的重要部件。本文系统性选择了4种典型炭黑[ACET、XC-72R、BP2000、天然气裂解炭黑（NG）],借助原子力显微镜（AFM）、场发射透射电镜（TEM）和动态光散射粒度分析仪（DLS PSD）对浆液微观结构的研究,给出团聚性这一浆液评价标准,并结合流变性揭示了定量标准。研究结果表明,不同炭黑的团聚程度大小依次为ACET>XC-72R>BP2000>NG。剪切稀化指数n越大,MPL浆液团聚程度越低,颗粒分散越均匀;n越小,团聚程度越高。具体而言,固含量α=6%时,添加NG、BP2000、XC-72R、ACET炭黑的MPL浆液的剪切稀化指数n分别为0.554、0.320、0.118、0.039;测得的ACET、XC-72R、BP2000、NG的团聚体粒径分别为1.358μm、1.149μm、0.732μm、0.406μm,所以浆液的剪切稀化指数与其团聚程度成反比。总之,NG-MPL剪切稀化程度最低,NG更加适合作为MPL的碳材料,也为今后MPL的制备和优化提供指导。     

新型聚合物固体电解质的导电性研究

采用溶液浇铸法制得以偏二氟乙烯与六氟丙烯共聚物P(VdF-HFP)为基质的聚合物固体电解质,并测定了该类电解质的电导率。讨论了锂盐浓度、增塑剂配比、纳米SiO2粉末掺入以及温度对膜的离子电导率的影响;结果表明:以P(VdF-HFP)为基质的电解质的室温电导率最高达到2.81×10-3S·cm-1。利用红外分析对聚合物固体电解质的导电性进行分析,探讨了聚合物固体电解质膜的各组分间相互作用的规律。     

高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展

综述了近十几年来高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用进展,指出了此类电解质目前存在的亟待解决的两个问题：咪唑类离子液体毒化Pt基催化剂和复合膜中离子液体的长期稳定性。最后对高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的发展前景作了展望,即开发与Pt基催化剂相容的离子液体聚合物电解质以及预防复合膜内离子液体的流失,即提高高温质子交换膜燃料电池的性能及长期稳定性,最终提高高温燃料电池的寿命。     

一种新型流道对燃料电池气体扩散层除水性能的模拟研究

燃料电池冷启动前,需要通过气体吹扫去除内部多余水分,停车后的吹扫对于燃料电池在低温下能否成功启动有着至关重要的影响。为了更有效地去除电池内部水分,提出一种有利于去除气体扩散层内部水分的新型波形流道,通过多物理场仿真软件(COMSOL Multiphysics)研究不同角度的波形流道对气体扩散层水分去除的影响以及水分去除的机理。计算结果表明:与传统的直形流道相比,这种新型波形流道能够增大气体扩散层上方的气体流速,有利于去除气体扩散层内部的水分,揭示了吹扫对气体扩散层水分去除的3个特征阶段:高饱和度区、恒速区以及快速下降区。     

凝胶聚合物电解质的电化学性能

用化学交联法制备了凝胶聚合物电解质.聚烯烃多孔膜支撑的凝胶聚合物电解质具有优良的电化学性能, 室温电导率为1.01×10^-3S•cm^-1,锂离子迁移数为0.41,在Al电极上的氧化起始电位达到4.2 V以上.采用聚烯烃多孔膜支撑的凝胶聚合物电解质制备了聚合物锂离子电池,并研究了工艺条件对聚合物锂离子电池电化学性能的影响.研究的工艺条件包括：单体添加量和电极组合方式.优化后的聚合物锂离子电池具有良好的电化学性能,1 C放电容量为0.2 C放电容量的93.2%,经100次1 C循环后的剩余容量仍在80%以上.     

直接聚合物电解质燃料电池的燃料

本文介绍了直接聚合物电解质燃料电池的几种甲氧基燃料包括二甲醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷和甲醇的电化学性能及在电池中反应副产物情况，对其应用前景作了初步估计。     

1～5 kW高温聚合物电解质膜燃料电池堆的理论模拟与组装测试

以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm²)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象，通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示，当电堆的单池数量从10片增加至60片时，平均单池电压从0.6414 V略微降低至0.6404 V，且单池之间电压极差从1.8 mV增加至6.5 mV；单池间的平均工作温度从431.01 K升高至433.90 K，且每单池自身工作温度的极差从6.95 K增加至10.22 K。表明随着电堆单池数量的增加，电堆的平均单池电压呈轻微下降趋势，且单池间电压极差变大，单池电压一致性有所下降，单池间的温差变大，其单池自身的均温一致性也有所降低，电堆热管理难度增加。在模拟结果的指导下分别组装了30、60和120片单池的高温膜燃料电池堆，在氢/空干气、33 A的恒流放电条件下，测得30、60和120片单池电堆的平均单池电压分别为0.6566、0.6548和0.6552 V，单池极差从24 mV增加到59 mV，与模拟结果显示出良好的一致性，验证了模拟结果的有效性。在氢/空...     

自具微孔聚合物PIM-1膜在气体分离领域的研究进展

PIM-1由自身扭曲且刚性的单体组成,具有比表面积高、热稳定性好和结构简单等优点,是最具代表性的一种自具微孔聚合物。与传统有机聚合物膜相比,PIM-1膜可表现出极高的气体渗透性,在气体分离领域展现出巨大的研究价值与应用潜力。因此概括并总结PIM-1膜在气体分离领域的研究进展,同时梳理制约PIM-1膜的发展的关键问题及解决策略十分有必要。本文首先概述了气体分离膜的性能指标及气体在膜内的传递模型,重点总结了近二十年来PIM-1膜在气体分离中的主要研究进展,包括纯PIM-1膜、改性PIM-1膜和PIM-1混合基质膜的设计制备及气体分离性能,并分析了不同改性方法和制膜策略对膜气体分离性能的影响以及膜内结构与性能之间的关系。最后,文章对PIM-1膜在实现工业应用前亟待解决的问题以及未来的研究重点进行了总结和展望,如继续致力于PIM-1膜对气体的渗透选择性提高,同时加强膜稳定性与超薄化的研究。     

高温聚合物电解质膜燃料电池大尺寸(200cm2)多蛇形流场模拟与优化

以大尺寸（100mm×200mm, 200cm²）多蛇形流场为研究对象,通过数值模拟和实验的方法探究了阴极多蛇形流场的排布方式对高温聚合物电解质膜燃料电池输出性能的影响。相比于竖向排布多蛇形流场,基于横向排布的多蛇形流场的电池在进气量1.527L/min和电压0.6V时展示出了更高的平均输出电流密度222.78mA/cm²和更均匀的电流密度分布（均一指数为75.3%）。在此基础上,进一步对横向排布流场结构的气体通道数进行了优化。结果表明入口气体通道数的增加可以显著减少流场进出口的压降损失,但电池平均输出电流密度和均一指数也有所降低。其中,9通道横排多蛇形流场有较高的电池性能和较好的电流密度分布均匀性（相对于14通道）和较低的压降损失（相对于6通道）,对进一步提高高温聚合物电解质膜燃料电池的性能及稳定性和商业化应用具有指导意义。     

聚电解质自组装复合多层膜的研究进展

以静电机互作用为基础的聚电解质自组装复合多层膜近十年来发展非常迅速,本文总结了聚电解质自组装复合多层膜的研究历史及聚电解电解质组装的制备和表征方法,介绍了聚电解质自组装机理和自组装复合多层膜的应用,分析了两亲性聚氨酯自组装的可行性及意义。     

水分在聚合物电解质膜燃料电池中对液体硅橡胶密封寿命预测的影响

液体硅橡胶是一种流行的密封垫或密封材料。也有希望应用于聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的密封。液体硅橡胶密封垫／密封材料应用于聚合物电解质膜燃料电池商品中的主要问题是耐用性（寿命）。由于PEMFC内部存在水分以及湿气，聚合物例如液体硅橡胶，通常显示出应力松弛特性。了解水分对液体硅橡胶应力松弛特性的影响是重要的。试验结果表明：起初，水分对应力松弛无影响，