液流钒电池用TiO2/Nafion/PP质子交换膜的研究

以聚丙烯膜(PP)为基体,采用浸渍法制备了新型质子交换膜Nafion/PP膜,并通过掺杂的方式制备了复合膜TiO2/Nafion/PP。采用扫描电镜仪(SEM),红外光谱对复合膜进行了表征,测定了膜的质子交换容量和电导率,并考察了以两种复合膜作为隔膜的液流钒电池的电化学性能。结果表明:TiO2掺杂改性以后,TiO2/Nafion/PP的质子交换容量为0.7298mmol/g,含水率为17.86%,分别比Nafion/PP膜提高了75%和117%,复合膜电导率比Nafion/PP提高了27%。电化学测试结果表明:以TiO2/Nafion/PP为隔膜的模拟液流钒电池电池效率为67.76%,显示出优良的循环稳定性。     

SPSU/PWA/SiO2有机-无机复合质子交换膜的研究

以磺化聚砜(SPSU)、磷钨酸(PWA)和二氧化硅(SiO2)溶胶为原料,制备了一种SPSU/PWA/SiO2有机-无机复合质子交换膜。研究了SiO2对复合膜的抗氧化性、膜内PWA的稳定性、阻醇性、电导率等性能的影响。研究表明:当SiO2掺杂质量分数为2%时,复合膜显示了最佳的性能;80℃下,质子传导率超过Nafion膜,达到0.166S/cm,而甲醇渗透系数约为Nafion117膜的1/10。     

质子交换膜燃料电池膜电极组件研究

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件。系统地研究了MEA的组成和结构对其性能的影响。研究提出:催化层中掺杂Nafion聚合物的亲水电极比传统的催化层中掺杂PTFE的疏水电极性能有了较大的提高;不同种类质子交换膜对MEA的性能影响很大,Nafion112和Dow膜是目前比较适宜的质子交换膜;采用石墨类碳纸的电极性能高于采用碳纤维类碳纸的电极;电极催化层中Nafion聚合物的最佳含量比为30%左右。根据氢电极和氧电极反应难度的不同,提出为了减少催化剂的用量同时不显著影响电池的性能,氢电极的铂载量应该低于电极的观点,并通过了实验验证。     

磺化皂土改性直接甲醇燃料电池用Nafion膜

以磺化皂土和正硅酸乙酯(TEOS)为掺杂物,采用溶胶-凝胶法掺杂改性Nafion 212膜,并制成膜电极组件(MEA)。通过计时电流、交流阻抗等测试,研究了Nafion 212膜改性前后的甲醇渗透系数、质子电导率及电池功率密度等。改性后的Nafion 212膜,甲醇渗透系数比改性前降低了86%,质子导电率达到69.6 mS/cm;单体电池性能和甲醇渗透电流测试发现:改性膜制备的MEA的甲醇渗透电流密度在30℃和55℃时分别比改性前降低67.7 mA/cm2和61.5 mA/cm2。     

新型质子交换膜的发展

介绍了各种新型质子交换膜。重点介绍了多氟聚合物、芳香族聚合物、聚合物基混合物和无机物基复合电解质膜的电导率和热稳定性,分析了它们各自的优点和存在的问题。有机聚合物类质子交换膜的主要问题是如何提高电导率和稳定性,聚合物/酸混合物还要解决其中酸的流失问题。能在150℃以上的高温下工作,并且还依赖水传递质子的无机物质子交换膜是最终开发目标。聚合物/纳米氧化物颗粒复合质子交换膜是一种解决增湿问题的较好过渡方案。Nafion/氧化物(SiO2)颗粒混合电解质的成本仍较高,而且工作温度不能超过150℃。提出了两种新型质子交换膜的制作工艺。     

磺化聚醚醚酮/聚偏氟乙烯共混膜的研究

为有效抑制磺化聚醚醚酮(SPEEK)的溶胀,制备了聚偏氟乙烯与较高磺酸化程度的聚醚醚酮共混膜。该类质子交换膜水热稳定性较高,质子电导率是Nafion!115膜传导率的9%,电化学方法表明共混膜具有较好的阻醇性能,相同测试条件下,甲醇渗透量仅是Nafion!115膜的渗透量的1/20。综合各项性能,认为聚醚醚酮-聚偏氟乙烯共混膜有希望成为一种新型的直接甲醇燃料电池用质子交换膜。     

Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

采用不同厚度Nafion膜 (Nafion 117,115 ,1135 ,112和 10 1)组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ,通过测试电池极化曲线 (U/I) ,研究Nafion膜厚度对PEMFC工作性能、氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 ,通过线性回归分析不同厚度Nafion膜组装PEMFC的内阻计算了Nafion膜材料的电导率。实验结果表明 :( 1)降低电解质膜的厚度将会降低电池的内阻 ,从而有利于提高PEMFC的工作性能 ;( 2 )随着膜厚度的降低 ,U0 值有降低的趋势 ,Tafel斜率b值变化不明显 ;( 3)厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 ,其主要原因是质子传质极化引起的 ;( 4 ) 80℃时Nafion膜材料的电导率约为 0 .0 77Ω-1·cm-1。     

PEMFC用Nafion1135/SiO2复合膜的性能研究

采用溶胶-凝胶法制备Nafion/SiO2复合膜,通过XRD、膜的电导率测试和单体电池测试对Nafion/SiO2复合膜的结构和性能进行研究,结果表明:采用溶胶-凝胶法可以把SiO2原位复合到Nafion膜上;80℃湿态下Nafion1135/SiO2复合膜的电导率为0.178 S/cm,Nafion1135膜的电导率为0.147 S/cm;经过失水处理后的Nafion1135/SiO2复合膜的电导率为0.024 S/cm,而Nafion1135膜的电导率仅为0.005 S/cm;在H2、O2压力为0.17 MPa,电池温度110℃、H2加湿温度70℃时,Nafion1135膜的电池性能急剧下降,Nafion1135/SiO2复合膜仍可在电压为0.6 V、电流密度为800 mA/cm2的条件下稳定运行.     

质子交换膜燃料电池阴极面增湿槽道

增湿技术是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术之一。设计了一种阴极面带增湿槽道流场板,增湿槽道中液态水蒸发成气态水透过疏水碳纸向邻近的气体槽道和催化层扩散进行增湿。单电池在电流密度为600mA/cm2工作时,内阻在0.051～0.066Ω·cm2区间波动;表明了采用增湿槽增湿方式达到了良好的增湿效果并实现了电池稳定工作。     

SPEEK膜与Nafion膜在钒液流电池中的应用研究

研究了Nafion膜与SPEEK膜两种质子交换膜的含水率、膨胀率、阻钒性能以及在钒液流电池样机中的充放电性能,并结合两种隔膜的基本化学结构对产生这些差异的原因进行了分析.静态测试结果表明.SPEEK膜的含水率、膨胀率大于Nafion膜,其阻钒性能也比Nafion膜好.在钒液流电池样机中的充放电测试结果表明,Nafion膜的质子交换能力优于SPEEK膜.SPEEK膜与Nafion膜性能的差异可能与两者化学骨架结构以及磺化基团差异有关.     

PEMFC催化层中Nafion含量梯度优化研究

提出了一种新的催化层结构,该催化层中的Nafion从内向外成梯度增大。测试显示,新结构的催化层相对于常规催化层不仅开路电压高,而且单电池性能同样优于常规催化层。CV测试结果显示,催化层中Nafion含量的变化对阴极电极中Pt催化剂活性面积影响很小;新电极不仅电阻小,而且具有良好的气体传递能力和排水能力。     

质子交换膜燃料电池CCM膜电极

采用喷涂工艺制备了三合一(CCM,Catalyst Coated Membrane)型质子交换膜燃料电池膜电极,研究了分散剂、催化剂、质子交换膜对膜电极性能的影响.结果表明:CCM型膜电极的放电性能好于传统热压方法制备的膜电极;乙醇、异丙醇和乙二醇等水溶液分散剂对CCM膜电极中低电流密度区放电性能影响不大,而在高电流的浓差极化控制区乙二醇最佳,而乙醇最差;优化催化剂的Pt担量和阴极催化剂的用量能够显著提高膜电极的性能,而通过减小质子交换膜的厚度,降低膜的面电阻可以进一步提高膜电极的放电性能.     

Pt-TiO_2/C催化剂在高温PEMFC中的耐久性

通过两步法制备了掺杂磷酸的聚苯并咪唑(PBI)高温质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极用的Pt-TiO2/C催化剂.通过对比加速老化实验(AAT)前后电池的输出性能和催化剂形貌,研究了Pt-TiO2/C与Pt/C催化剂在PEMFc中的耐久性.当电流密度为1 000mA/cm2时,AAT导致用Pt-TiO2/C催化剂的单体电池的输出电压降低48 mV,低于用Pt/C催化剂的85 mV.AAT导致Pt/C催化剂的平均粒径由4.8 nm增大到16.9 nm;而Pt-TjO2/C催化剂仅由6/0 nm增大到9.6 nm.     

直接甲醇燃料电池两相传质过程研究进展

为了揭示直接甲醇燃料电池两相流及其对电池性能的影响,从可视化研究和数学模型研究两方面综述了直接甲醇燃料电池中气、液两相流的研究进展.概述了阳极和阴极两相流研究,介绍了流场模型、扩散层模型、催化层模型及质子交换膜模型等数学模型.阴极进行可视化研究是必要的,数学模型与实验结合起来研究能更好地促进模型研究的发展.     

PEMFC阴极催化层的LBM模拟

采用格子-Boltzmann方法(LBM)直接从介观层次数值模拟了质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极催化层的传质和电化学反应过程.开发了二维程序;为了验证所编程序的正确性,建立了一个理想的二维规则模型,模拟得到的极化曲线和已有文献的极化曲线吻合较好.处理PEMFC阴极催化层的电镜扫描图得到了二维实际计算模型,应用LBM模拟得到了二维的O2浓度和电势分布.表明LBM是一有效的分析PEMFC阴极催化层中传递和电化学反应过程的数值模拟方法.     

阳极掺杂纳米二氧化硅对PEMFC性能的影响研究

研究了质子交换膜燃料电池阳极侧加入保水剂后(纳米二氧化硅)对其性能的影响。分别考察了纳米二氧化硅以及经过磺化处理的纳米二氧化硅两种类型的保水剂,加入后对燃料电池性能以及材料憎疏水性能的影响。通过对相应材料进行电化学交流阻抗谱图以及接触角的测试,从理论上对实验结果进行了分析。结果表明经过磺化处理的纳米二氧化硅材料加入到燃料电池阳极侧后的电池性能要优于未经处理的纳米二氧化硅材料。还进一步考察了4种不同含量的纳米磺化二氧化硅保水剂的加入对燃料电池性能的影响。结果表明,加入质量分数为2.5%～5%磺化纳米二氧化硅的燃料电池,有着最好的电池性能和最小的接触电阻。最后对加入保水剂的燃料电池在低湿度下的性能及稳定性情况进行了初步的考察。     

阴、阳极加湿对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性

阴、阳极气体相对湿度是对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能影响最为重要的因素。通过建立一个三维直流道质子交换膜燃料电池单体模型,运用数值模拟方法研究了反应气体相对湿度对PEMFC性能的影响及差异性。结果表明,在高操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极气体相对湿度的增加而提高;在低操作电压时,燃料电池性能随阴、阳极相对湿度的增加而降低。同时,在高操作电压下,阳极气体加湿程度对电池性能的影响比阴极气体加湿程度对电池性能的影响大,但在低操作电压下,阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大。通过对质子交换膜的阴极、阳极侧含水量分布的分析,探讨了阴极、阳极加湿对PEMFC性能影响差异性的原因。研究结果对于燃料电池的水管理具有一定指导意义。     

磺化聚醚醚酮/α-ZrP复合膜的制备、结构与性能

为了提高聚醚醚酮膜在直接甲醇燃料电池中的性能表现,以磺化聚醚醚酮作为基体,掺入经过插层处理的α-磷酸锆制备了磺化聚醚醚酮/α-磷酸锆(α-ZrP)复合质子交换膜.采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对复合膜的微观结构进行了研究,并考察了复合膜的质子传导性能、阻醇性能和电性能.结果表明,α-磷酸锆良好地分散在聚合物基体中,α-磷酸锆的加入提高了复合膜的质子传导性能,并保持了较好的阻醇性能,用该复合膜组装成的单电池的开路电压达到0.448 V,最大比功率达到13.1 mW/cm2.     

蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟

为了研究蛇形流场质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出性能,分析其性能的影响因素,寻找改善其性能的方法和途径。基于多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,建立了包括阴阳极流道、扩散层、催化层及质子交换膜在内的完整的PEM燃料电池三维全流场稳态模型,在COMSOL中利用该模型对蛇形流场PEMFC进行了数值模拟和分析。模拟结果得出了在工作电压为0.7 V的条件下,蛇形流场的流型以及质子交换膜的电导率对PEMFC输出性能的影响。分析表明三蛇形流场的性能优于单蛇形流场;随着质子交换膜电导率的增大,膜内传质得以改善,可以降低传质过程中的电阻损耗,提高燃料电池的性能。模拟结果对于改善PEMFC整体性能有着重要的指导意义。     

工作条件对钛网基MEA性能的影响

为研究工作条件对钛网基MEA性能的影响,以钛网作为电极支撑体材料,以Nafion117作为质子交换膜,以PtRu/XC-72R作为阳极催化剂,以Pt/XC-72R作为阴极催化剂,采用滴涂的方法制备了钛网基MEA阳极和阴极。采用成型温度为135℃,成型压力为5 MPa,保压时间为180 s的条件热压制备钛网基MEA并在工作条件进行测试,研究结果表明:(1)无论是在室温25℃条件下还是在高温60℃条件下,阴极氧化剂采用0.1 MPa的100 mL/min氧气的功率密度峰值均高于采用自呼吸空气的功率密度峰值;(2)无论是在室温25℃条件下,还是在高温60℃条件下,无论阴极氧化剂为自呼吸空气,还是0.1 MPa的100 mL/min氧气,电解液中的甲醇浓度对钛网基MEA的影响呈现了一致性,即当甲醇浓度从0.5 mol/L变大到1.0 mol/L时,钛网基MEA的功率密度峰值是增大的,当甲醇浓度从1.0 mol/L经过1.5mol/L增大到2.0 mol/L时,钛网基MEA的功率密度峰值逐渐减小;(3)当工作温度从25℃逐渐增大到80℃,钛网基MEA的功率密度峰值从5.19 mW/cm2逐渐增大到17.10 mW/cm2。