质子交换膜燃料电池膜电极制备方法的研究进展

燃料电池技术作为一种绿色能源技术,在减少能源消耗、环境污染等方面具有巨大潜力。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件,MEA中电化学反应的顺利进行需要各功能层的协调配合,MEA各功能层涉及的传质、导电、导质子、催化等方面均影响燃料电池的性能。根据制备方法,可以将MEA分为催化剂涂敷基底（CCS）型MEA、催化剂涂敷膜（CCM）型MEA、有序化MEA和一体化MEA。MEA的性能不仅由催化剂本身载量决定,也受其结构设计和制备工艺的影响。本文介绍了MEA制备过程中常见的改进方法,分别从催化剂喷涂、刮涂、模槽挤出涂覆方式,催化剂浆料组成中Nafion含量和溶剂极性选择,催化层梯度化、图案化及界面结构改进,PEM结构增强、图案化、成膜方式等方面的研究进展进行讨论。但是目前对于MEA各功能层界面间的研究较少,应该注意的是催化层/质子交换膜（PEM）界面以及催化层/气体扩散层（GDL）界面设计也将直接影响MEA的性能。     

质子交换膜燃料电池有序化膜电极研究进展

质子交换膜燃料电池的发展和应用是促进现代生活方式低碳环保化的最重要路径之一。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件,实现膜电极结构的有序化是同时满足低铂载量和高电化学性能要求的关键。本文系统总结和分析了最近有关有序化膜电极的相关研究进展。与发展较为缓慢的质子导体有序化相比,以催化剂有序化和催化剂载体有序化为路径实现的有序化膜电极结构优化已经得到快速发展,对于促进质子交换膜燃料电池规模化应用表现出极大的发展潜力。     

质子交换膜燃料电池催化剂制备方法

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效的能量转换装置,具有使用温度低、转换效率高等优点,是电化学和能源科学领域的一个研究热点.本文讲述了PEMFC的概述、工作原理及其研究现状,并着重论述了PEMFC催化剂各种制备方法.     

质子交换膜燃料电池关键技术研究进展

简述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理及特点;综述了PEMFC关键技术的最新研究进展,包括质子交换膜合成、电催化剂制备、膜电极工艺及水管理和热控制;并简介了我国PEMFC的开发情况。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置。质子交换膜是PEMFC的核心组成,是一种选择透过性膜,主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂,为降低成本,提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向之一。对PEMFC电极的工作原理,关键组件及电池的水管理、热管理方法等作了综述。     

直接涂膜技术用于质子交换膜燃料电池膜电极制备

引　言质子交换膜燃料电池 (PEMFC)是极具吸引力的电化学能量转换装置 ,是未来电动汽车的主要动力源 ,也是洁净高效的新型化学电源 .对于电动汽车的应用 ,要求PEMFC提供高能量密度、低催化剂负载量 ,以降低系统体积和成本[1] .膜电极(membraneandelectrodeassembly ,简称MEA)是由聚合物电解质膜、电极催化剂和扩散层材料组合而成的三明治式结构组件 ,类似于计算机的芯片 ,是燃料电池的核心部件 ,长期以来大量的研究集中于MEA新材料设计与制备 ,以提高电池的性能 .近年来 ,对MEA的微观结构分析、MEA制备工艺与电池性能的关系研究工作明显增多[2～ 7] .从PEM FC研究实践中发现 ,如何减少电极中Pt催化剂负载量并能继续保持或者提高电池性能的MEA制备技术开发至关重要 .其中超薄Pt层沉积法[8～ 10 ] 是MEA的制备新技术之一 .与传统的基于墨水涂布(based inkprinting)的方法相比 ,喷溅沉积法(sputterdeposit) [9] 制备的MEA提高了电池的性能和催化剂的利用率 ,它是用直接喷溅沉积法 (directlydeposit) [10...     

直接涂膜技术用于质子交换膜燃料电池膜电极制备(Ⅱ)

研究了直接涂膜过程中,催化剂液组成对电池性能的影响.异丙醇在催化剂墨水中起到溶剂和造孔剂的作用,当催化剂墨水中催化剂、异丙醇的质量比为1∶10时电池性能最好.Nafion是催化剂层中良好的黏结剂和质子传导载体.由于直接涂膜,使Nafion液与Nafion膜直接接触,从而增加了质子传导性.实验结果表明,最佳的Nafion含量（干基）为NFP=33%.通过对不同金属含量的Pt/C催化剂的研究发现,金属含量不同,异丙醇和Nafion的最优含量亦随之改变.考察了催化剂层不同制备工艺对电池性能的影响,表明催化剂层数越多电池性能越好,但是差异并不是很大.     

质子交换膜燃料电池膜电极结构与设计研究进展

膜电极（MEA）为质子交换膜燃料电池（PEMFC）提供了电子、质子、反应气体和产物水等多相物质传递和电化学反应的重要场所。设计和制备具有优异特性的MEA对提高PEMFC的性能,降低制造成本,加快其商业化应用是至关重要的。本文首先对PEMFC的反应机理进行了分析,接着从气体扩散层（GDL）、催化层（CL）、质子交换膜构造（PEM）3个方面阐述各部件在MEA中的作用,归纳总结了各部件的制备方法、传热传质方式、仿真模型、构效关系以及优缺点,最后对影响MEA的各种因素进行了总结,并且结合目前涌现出的许多新兴技术对PEMFC的发展进行了展望。本综述对未来高性能、长寿命和低成本的MEA开发具有指导意义。     

质子交换膜燃料电池研究进展

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）因具有效率高、功率密度大、排放产物仅为水、低温启动性好等多方面优点,被公认为下一代车用动力的发展方向之一。然而,目前PEMFC在耐久性和成本方面距离商业化的要求还存在一定差距。为攻克上述两大难题,需要燃料电池全产业链的共同努力和进步。本文回顾了近年来质子交换膜燃料电池从催化剂、膜电极组件、电堆到燃料电池发动机全产业链的研究进展和成果,梳理出单原子催化剂、非贵金属催化剂、特殊形貌催化剂、有序化催化层、高温质子交换膜、膜电极层间界面优化、一体化双极板-扩散层、氢气系统循环等研究热点。文章指出,催化层低铂/非铂化、质子交换膜超薄化、膜电极组件梯度化/有序化、燃料电池运行高温化、自增湿化是未来的发展趋势,迫切需要进一步的创新与突破。     

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.     

Do not forget the electrochemical characteristics of the membrane electrode assembly when designing a Proton Exchange Membrane Fuel Cell stack

The membrane electrode assembly (MEA) is the key component of a PEMFC stack. Conventional MEAs are composed of catalyzed electrodes loaded with 0.1–0.4 mg_Pt cm⁻² pressed against a Nafion^® membrane, leading to cell performance close to 0.8 W cm⁻² at 0.6 V. Due to their limited stability at high temperatures, the cost of platinum catalysts and that of proton exchange membranes, the recycling problems and material availability, the MEA components do not match the requirements for large scale development of PEMCFs at a low cost, particularly for automotive applications.Novel approaches to medium and high temperature membranes are described in this work, and a composite polybenzimidazole–poly(vinylphosphonic) acid membrane, stable up to 190 °C, led to a power density of 0.5 W cm⁻² at 160 °C under 3 bar abs with hydrogen and air. Concerning the preparation of efficient electrocatalysts supported on a Vulcan XC72 carbon powder, the Bönnemann colloidal method and above all plasma sputtering allowed preparing bimetallic platinum-based electrocatalysts with a low Pt loading. In the case of plasma deposition of Pt nanoclusters, Pt loadings as low as 10 μg cm⁻² were achieved, leading to a very high mass power density of ca. . Finally characterization of the MEA electrical properties by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) based on a theoretical model of mass and charge transport inside the active and gas diffusion layers, together with the optimization of the operating parameters (cell temperature, humidity, flow rate and pressure) allowed obtaining electrical performance greater than 1.2 W cm⁻² using an homemade MEA with a rather low Pt loading.     

液相进样直接甲醇燃料电池性能研究

报道了用研制的Pt-Ru/C催化剂, 采用特殊工艺制备了膜电极, 并组装了直接甲醇质子交换膜单电池系统。考察了电极扩散层制备方法、催化剂层中催化剂、Teflon-C以及Nafion液的用量等电极制备工艺条件以及空气作为氧化剂对单电池性能的影响。结果表明：采用刷涂法制备电极扩散层比喷涂法好,催化剂层中催化剂的优化含量为0.6mg·cm-2,Teflon-C、Nafion液的最佳用量分别为0.3 mg·cm-2、0.5 mg·cm-2。当工作温度为80℃时,输出电压为0.3V,氧气作为阴极气体的输出电流密度为36mA·cm-2;而空气作为阴极气体的输出电流密度为22.5mA·cm-2。膜电极有效面积为9cm2的的液相进样直接甲醇/氧气燃料电池三电池电堆的最大功率为0.285W,此时输出电压为0.7V,输出电流为0.407A;而液相进样直接甲醇/空气三电池电堆的输出电压为0.635V,输出电流为0.252A时,最大功率为0.160W。     

The use of CO stripping for in situ fuel cell catalyst characterization

An important parameter in normalizing activities of porous electrocatalysts is real surface area of the catalyst. In this study CO stripping voltammetry was applied for the determination of the surface area of PtRu catalysts in a membrane electrode assembly. The difficulties in applying this method are summarized and a practical solution for the “accurate” voltammetric CO charge determination is suggested. The influence of adsorption time, potential, sweeping range and sweep rate on voltammetric CO charge determination is studied. It is shown that the CO charge determined in this way is independent on the sweep rate applied.     

PEMFC膜电极组成及其性能

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极(MEA)由质子交换膜、催化层、水管理层(WML)和扩散层组成。研究了WML的厚度和聚四氟乙烯(PTFE)的含量对膜电极性能的影响,并采用了两种新型造孔剂(碳酸氢铵和硫酸铵)优化WML的孔结构。采用环境扫描电镜(ESEM)表征了膜电极的表面形貌和孔结构;采用单体PEMFC的电流密度-电压曲线评价了膜电极在外增湿和自增湿方式下的极化特性,结果表明,WML的建立提高了膜电极的水管理能力,使膜电极在自增湿方式下具有良好的极化特性。     

High utilization platinum deposition on single-walled carbon nanotubes as catalysts for direct methanol fuel cell

This research aims to enhance the activity of Pt catalysts, thus to lower the loading of Pt metal in fuel cell. Highly dispersed platinum supported on single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as catalyst was prepared by ion exchange method. The homemade Pt/SWNTs underwent a repetition of ion exchange and reduction process in order to achieve an increase of the metal loading. For comparison, the similar loading of Pt catalyst supported on carbon nanotubes was prepared by borohydride reduction method. The catalysts were characterized by using energy dispersive analysis of X-ray (EDAX), transmission electron micrograph (TEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectrum (XPS). Compared with the Pt/SWNTs catalyst prepared by borohydride method, higher Pt utilization was achieved on the SWNTs by ion exchange method. Furthermore, in comparison to the E-TEK 20 wt.% Pt/C catalyst with the support of carbon black, the results from electrochemical measurement indicated that the Pt/SWNTs prepared by ion exchange method displayed a higher catalytic activity for methanol oxidation and higher Pt utilization, while no significant increasing in the catalytic activity of the Pt/SWNTs catalyst obtained by borohydride method.     

新型液膜振荡器(Ⅱ)

本文设计了一种以阴离子表面活性剂十四烷基硫酸钠 (STS)与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)缔合为关键步骤的新型液膜振荡器。其基本配方为 :5 0mmol·dm- 3CTAB(aq) + 1 5mol·dm- 3 乙醇 2 0mmol·dm- 3STS(硝基苯 ) 0 5mol·dm- 3NaCl(aq) ,(简示W1 O W2 )。采用分别置于界面附近两不同水相中的一对相同铂电极进行监测 ,并通过组分替换、浓度变化、辅助实验、实验装置比较等方法进行了机理研究 ,通过对以往液膜振荡器机理的评价 ,导出了一个适于此新型振荡器的数学模型。新型振荡器与以往的差别主要在于 ,阴、阳两种离子型表面活性剂缔合后难于离解 ,须携带部分溶剂液体形成乳液来进行迁移 ,并产生可随两种表面活性剂浓度比变化的两类不同的液膜振荡     

燃料电池自增湿膜电极的研究进展

使用自增湿膜电极可以减去燃料电池复杂的增湿系统,并使得膜电极的水热管理变得容易和简单,对于燃料电池的大规模商业化具有重要意义。本文主要从自增湿复合膜、自增湿催化层以及自增气体扩散层等几个方面介绍了近年来自增湿膜电极的一些重要研究进展和发展趋势。首先介绍了基于掺杂和复合机构的自增湿复合膜的发展状况,指出自增湿复合膜是最直接有效的自增湿方式;其次介绍了基于物理或化学方法构筑的自增湿催化层的研究现状,认为构筑自增湿催化层能够促进阴极侧电化学反应生成的水向阳极侧的反扩散,从而提高膜电极的低湿度性能;最后综述了自增湿气体扩散层,对这类电极的发展趋势及应用前景进行了展望。