质子交换膜燃料电池关键材料的研究现状与进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有轻便高效、启动温度低,以及环境友好等优点而广泛应用于现代工业建设的多个领域。本文综述了近年来PEMFC的关键材料催化剂、双极板以及质子交换膜等的制备及性能,提出了其在实际应用中存在的问题和相应的改进措施,并展望了其发展方向。     

基于专利分析研究质子交换膜氢燃料电池气体扩散层发展态势

分析近年来国内外质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利的申请情况，反映目前质子交换膜氢燃料电池气体扩散层产业的发展情况，为质子交换膜氢燃料电池气体扩散层生产技术及研发提供参考。借助Incopat数据库，利用质子交换膜氢燃料电池气体扩散层及含义相似的关键词进行公式检索，对质子交换膜氢燃料电池气体扩散层历年相关专利申请趋势、申请人、技术分布和法律状态等检索结果进行解析。结果表明：我国质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利与国外相比，虽然存在专利申请数偏低的问题，但正处于蓬勃发展的时期。我国现有的质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利申请的关键核心技术偏少、专利转化率低，有较大的创新和发展空间。针对质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利申请存在的问题，应加强质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关生产技术创新，提高质子交换膜氢燃料电池气体扩散层的质量，加大高质量产品的开发投入，提高科技成果转化率，加快质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关企业的专利布局。     

质子交换膜燃料电池用双极板材料及制备工艺的研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,具有隔绝反应气体、传导电流和提供反应气体通道等功能.目前,如何降低双极板的成本已经成为该燃料电池产业化最关键的因素.综述了质子交换膜燃料电池用双极板材料及其制备方法的研究进展,并且指出了该类材料未来的发展方向.     

质子交换膜燃料电池及其双极板的研究

为了降低质子交换膜燃料电池双极板的成本,提高质子交换膜燃料电池的性能,综述了质子交换膜燃料电池的基本结构、工作原理、主要优点及应用领域,分析了质子交换膜燃料电池双极板的特点及功能,介绍了制备质子交换膜燃料电池双极板的新材料及新工艺:中间相碳微球材料,凝胶注模成型工艺和中间相碳微球素坯的掺杂催化石墨化烧结工艺.提出了应用质子交换膜燃料电池及其双极板的新材料新工艺来降低其生产成本,为质子交换膜燃料电池及其双极板的研发指出了方向.     

非晶合金双极板在PEMFC环境下的耐腐蚀行为

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁、高效的新型能源。双极板是燃料电池的关键部件之一,占据了燃料电池的主要成本和体积。在多种类型的双极板材料中,金属双极板因导电性能优异、机械强度高等优势成为传统石墨双极板的潜力替代材料,得到了广泛关注和研究。双极板的工作环境呈酸性,工作温度较高,提高金属双极板在PEMFC环境下的耐腐蚀能力仍是一个亟待解决的问题。低成本、高腐蚀耐性的非晶合金材料是近年来备受关注的双极板材料之一,对已报道的非晶材料在PEMFC环境下的耐腐蚀性研究做了全面的总结。     

质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展

燃料电池是把化学能直接连续转化为电能的高效、环保的发电系统,是继水电、火电和核电之后第四种发电装置。其中,质子交换膜燃料电池有着寿命长、比功率和比能量高、室温下启动速度快等优点,可作为移动式电源和固定式电源使用,且在军事、交通、通讯等领域有着广阔的应用前景,被认为是适应未来能源与环境要求的理想动力源之一。双极板是质子交换膜燃料电池核心部件之一,占据了电池组很大一部分的质量和成本,且承担着均匀分配反应气体、传导电流、串联各单电池等功能。为了满足这些功能需要,理想的双极板应具有高的热/电导率、耐蚀性、低密度、良好的力学性能以及低成本、易加工等特点。但目前生产的双极板存在耐蚀性和导电性匹配性差、生产成本高和寿命短等问题。实现双极板材料的导电性和耐蚀性的合理匹配,即在保证导电性合理的前提下,实现高的耐蚀性,保障整个体系的服役寿命,是燃料电池商业化的关键环节之一。目前广泛用作质子交换膜燃料电池双极板的基体材料主要有石墨材料、金属材料及复合材料三种。这三种材料制成的双极板有不同的优缺点,但综合而言均不能满足双极板的性能要求。针对以上问题,近几年来研究者利用掺杂或表面改性的方法,在弥补双极板材料的性能不足方面取得了较多的成果,很多改进后的材料已经可以满足美国能源部提出的性能要求。本文系统总结了上述三类常见的双极板材料,详细综述了近年研究较为深入的金属双极板的涂层材料,并归纳了各种涂层与不锈钢、铝合金、钛合金基材组合的双极板的性能。文末展望了双极板特别是金属双极板材料的发展方向。     

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。     

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.     

质子交换膜燃料电池双极板的研究

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件之一,直接影响到电池组的性能和成本。如何选用新材料及其工艺制备技术,大幅降低材料加工成本,是目前急需解决的关键问题之一,为此介绍了一种新型的低成本制备高性能双极板的方法。     

质子交换膜燃料电池中Pt/C及Pt合金/C催化剂的衰退机制研究综述

成本和耐久性依然是制约质子交换膜燃料电池商业化发展的两大瓶颈。首先综述了质子交换膜燃料电池阴极Pt/C催化剂在实际工作条件下的降解情况,并给出了可能的降解机制。结果表明,Pt/C催化剂在实际工作条件下,尤其是在汽车应用中是不稳定的,通常无法用作燃料电池阴极催化剂。而Pt合金催化剂因具有优异的氧还原催化性能和相对较好的耐久性,被认为有望解决成本和耐久性这两大难题,因此在质子交换膜燃料电池中日益得到重视和应用。但如何改善合金催化剂的耐久性依然是一个棘手的问题,文章最后详细综述了PtxCoy合金催化剂可能的衰退机理,以及可在一定程度上提高Pt合金催化剂耐久性的Pt单层结构和Pt核壳结构,这对催化剂的合成和设计具有一定的指导意义。     

石墨/聚合物复合材料双极板的研究进展

评述了采用石墨/聚合物复合材料制备质子交换膜燃料电池双极板的研究进展,主要分析了原材料、制作工艺对复合材料电导率、力学强度等性能的影响,并介绍了赋予此类双极板内增湿功能的研究概况,预示了燃料电池用双极板的发展方向.     

聚偏氟乙烯与石墨导电复合材料双极板的物理性能分析

采用聚偏氟乙烯(PVDF)与导电填料石墨复合,通过高温模压方法制备了导电复合材料双极板,测量了双极板的电导率、弯曲强度和气密性。借助扫描电镜表征了复合材料的微观结构,分析了此导电复合材料能用于制备燃料电池双极板并能用于燃料电池电堆组装的必备条件。     

多孔金属流场双极板研究进展

多孔金属是一种兼具结构与功能的材料,得益于其低密度、高孔隙率、可控渗透性的优点,在许多领域都有广泛应用。本文综述了多孔金属在质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)双极板流场中的研究进展,相较于传统流道流场,高开孔率(>70%)的多孔金属具有相互连通的三维立体结构,可以增加气体分布均匀性、并加强气体传质、增强电子和热的传导及水的排出,从而对电池性能有较大提升。同时探讨多孔金属参数、流场结构设计、服役参数目和多孔材料本身对多孔金属流场在PEMFC应用中的影响。目前阻碍多孔金属在PEMFC应用的最大问题是腐蚀,且多孔金属内部结构复杂对涂层制备工艺提出更大挑战,因此如何有效解决多孔金属在PEMFC两极环境中的腐蚀问题,对推进多孔金属在燃料电池领域中的应用意义重大。     

面向氢空、无增湿操作条件的高保水性质子交换膜的制备与性能

作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一个重要应用场景,开发满足无人机用的低温质子交换膜燃料电池(Low Temperature-PEMFC)正受到越来越多的关注。无人机所采用的PEMFC操作条件比较特殊,作为原料的H₂、空气均为无加湿的干气。针对这一特殊操作条件,需开发相应的具有保水能力的质子交换膜。为此,首先合成了一种具有高保水性的高分子树脂(PAAAM),将其加入Nafion溶液中混合均匀,利用溶液浇铸法制膜,探索并优化了PAAAM的加入量;随后,对保水复合膜进行了FTIR、SEM、质子传导率、保水性、溶胀率、拉伸强度、热失重性能等表征,并进行电池输出性能测试;最终结果表明:Nafion系质子交换膜在原料为干空气、干H₂的条件下,最适宜的操作温度区间为50~55℃。当PAAAM加入量为1.0wt%时,Nafion基复合膜(NFPAM1)具有更优的电池性能。当电池温度55℃、干燥H₂、空气流量分别为0.1 L·min?1和0.55 L·min?1时,采用NFPAM1复合膜的PEMFC最高功率密度为691 mW·cm?2。      

石墨/ 高铝水泥模压复合材料双极板的特性

采用高铝水泥作为粘结剂, 石墨作为导电填料, 通过室温模压的方法制备了导电复合材料, 拟用于制作质子交换膜燃料电池的双极板。对石墨/ 高铝水泥复合材料双极板的电性能和力学性能的影响因数进行了分析和评价, 并测量了该复合材料双极板的含水量、凝胶毛细孔尺寸分布和氢气渗透性。实验结果表明: 含有60 wt %石墨的石墨/ 高铝水泥模压复合材料双极板的电导率和力学强度基本上可以同时满足质子交换膜燃料电池的使用要求; 并且该复合材料双极板含有凝胶毛细孔, 约具有7 wt %的含水量, 具有自增湿功能; 此外, 氢气渗透率也较低。      

柔性石墨双极板透气性的研究

由于柔性石墨材料具有耐腐蚀特性 ,与电极、电解质不发生作用 ,并具有重量轻、厚度小、导电、导热性能好的优点 ,是制造质子交换膜燃料电池双极板理想的材料。由于燃料电池双极板还要求严格的阻气性能 ,本文通过对柔性石墨制造双极板的研究 ,提出了相对透气系数的概念以表征柔性石墨材料的阻气性能。并利用自行组装的测试设备研究了柔性石墨板密度、厚度以及空气压力差对相对透气系数的影响。研究结果证明柔性石墨材料具有很小的相对透气系数 ,并且阻气性能稳定。     

燃料电池用高温质子交换膜的研究进展

燃料电池是一种高效的清洁能源技术,可缓解当今社会面临的能源和环境问题。质子交换膜燃料电池是一种重要的燃料电池类型,质子交换膜是其关键组件,起到传导质子、隔绝电子和阴阳两极的反应物的作用。质子交换膜燃料电池在低温下存在许多难以解决的问题,升高工作温度可以解决这些问题。因此需要开发高温低湿度下工作的膜材料。本文综述了高温质子交换膜的主要类型、制备与改性方法和质子传导机制,指出质子导体掺杂的聚苯并咪唑(PBI)类膜材料在高温低湿度下作为质子交换膜适用的巨大潜力,并探讨了复合PBI高温质子交换膜的制备、掺杂的质子导体类型和性能提升方法。最后本文归纳了高温质子交换膜面临的挑战,并指出了该类材料未来的研究方向,如设计合成新型质子导体、改善PBI抗氧化稳定性、调控膜微观结构来提升性能和开发新型聚合物电解质。     

Axiomatic design of the sandwich composite endplate for PEMFC in fuel cell vehicles

To fasten a fuel cell stack in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), two thick steel endplates have been used to maintain a proper contact pressure at the interfaces among gaskets, gas diffusion layer (GDL), membrane electrode assemblies (MEA), and bipolar plates. The proper contact pressure is required both to improve its energy efficiency by decreasing ohmic loss and to prevent leakage of fluid such as hydrogen, air, or coolant. Since the thick steel endplates are not only heavy, but also have high thermal conductivity and thermal inertia, which deteriorate the cold-start characteristics of fuel cell stack, a new development of the endplate with light weight and better thermal properties is necessary.     

燃料电池用新型质子交换膜的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效、清洁、高能量密度和高功率密度等诸多优点正引起人们越来越多的关注和研究．目前,质子交换膜是制约PEMFC技术应用的一个主要问题．为此,开发性能良好、成本经济的新型质子交换膜是一项很有意义的工作、综述了近几年国内外在新型质子交换膜(包括全氟磺酸膜、部分含氟磺酸膜、非氟质子交换膜)方面的研究进展．