高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池解决了传统质子交换膜燃料电池催化剂易受CO等杂质气体毒化、水热管理复杂等问题,成为当今燃料电池发展的主要方向。高温质子交换膜是实现高温操作的关键部分。本文结合质子传递机理,分析了以水作为质子溶剂、非水质子溶剂质子交换膜以及无机固态质子导体膜的研究现状,认为有机/无机复合膜和非水质子溶剂膜,尤其是其中的磷酸掺杂的PBI膜是高温质子交换膜的发展方向。     

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。     

质子交换膜燃料电池非铂电催化剂研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)目前主要催化剂为贵金属Pt基催化剂。然而,Pt价格高、储量低等问题严重阻碍了PEMFCs的商业化进程。发展低成本、高性能的氧还原催化剂是解决铂资源短缺、降低燃料电池成本、实现燃料电池商业化的关键。结合本课题组的研究工作,综述了最近几年非铂催化剂在燃料电池阴极氧还原方面的研究进展,着重探讨了新型氮掺杂碳基纳米材料的设计与制备,并概述了非铂催化剂面临的困难以及未来发展方向。     

氢燃料电池电催化剂研究进展

目前铂（Pt）及其合金仍是氢燃料电池首选催化剂,但是Pt高价格、低储量及循环稳定性差等缺点严重阻碍了氢燃料电池商业化,因此发展低成本、高性能的新型非Pt催化剂和低Pt催化剂是实现氢燃料电池商业化的关键。本文围绕燃料电池催化开发及使用过程中存在的成本、稳定性和毒化问题,回顾了近年来阴离子交换膜燃料电池和质子交换膜燃料电池催化剂分别在提高阳极催化剂活性、降低阴极催化剂成本领域的最新研究进展,包括催化剂的组成、结构以及颗粒尺寸等对催化活性、稳定性的影响。最后针对燃料电池催化剂存在的问题,指出未来应基于原位观测和表征技术加强对碱性氢氧化机理的研究,同时开发高温制备小尺寸高有序度的有序铂合金阴极催化剂的方法是未来的研究重点。     

磺化聚芳烃质子交换膜的研究进展

质子交换膜燃料电池是21世纪最清洁的能源之一,质子交换膜是其核心组件,目前商业化的质子交换膜存在着成本高、无法高温操作、甲醇渗透率高等缺点,因此开发新型低成本,高性能的聚芳香烃质子交换膜的研究热点之一。本文介绍了聚芳烃质子交换膜的改性方法及产生的效果。     

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。     

高温质子交换膜燃料电池性能衰减机理与缓解策略——第一部分：关键材料

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）具有耐CO毒化能力强、水热管理简单、能量利用率高等优点,但同时高温酸性环境也使其面临着耐久性不足的问题。针对该问题,本文分别概述了HT-PEMFC中质子交换膜、气体扩散电极、双极板以及密封件等四种电池组件的常用材料的物理化学特性,并系统地总结了近些年关于HT-PEMFC各组件性能衰减过程的机理、危害、影响因素以及相应缓解策略的研究进展。最后对HT-PEMFC未来的发展进行了展望,其中开发高强度轻薄双极板和高耐久性密封件、优化电堆成本以及探索新型电解质膜体系等研究方向有望成为未来该领域内的研究重点。     

质子交换膜燃料电池阴极催化剂的研究进展

随着时代的发展,环境问题走进人们的视野,绿色可持续发展成了当下共同探讨的话题,而燃料电池(FC)凭借其低污染、低噪声等特点成为理想的动力源之一,质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种,具备启动速度快、电池结构简单等特点,是环保电动汽车发电技术的主要研究方向之一。其中双极板是质子交换膜燃料电池的主要部件,其上附载的催化剂决定着电池的能量转换效率、制造成本及民用价值。催化剂可分为阴极催化剂和阳极催化剂两类,本综述主要围绕阴极催化剂的开发与催化性能的研究情况,从工作原理、优缺点、催化剂及其制备、发展前景等方面进行介绍。     

金属双极板模具成形技术研究

质子交换膜燃料电池以其能量转化效率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。但目前燃料电池制造成本较高,与同规格内燃机成本相比,价格是其4～10倍。在燃料电池组件中,双极板制作成本约是总成本的约40%,其成本高低直接影响到燃料电池商品化进程。因此,为提高双极板的生产效率,降低燃料电池的成本,本文对质子交换膜燃料电池金属双极板成形模具技术进行了研究。     

高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）因其具有催化剂CO耐受性良好,能量转化率高,水热管理简单等优点,成为了能源领域重要的研究方向之一。高温质子交换膜（HTPEM）是它的主要部件之一,分别以水、磷酸分子和咪唑分子为质子传导载体分析了目前HTPEM的研究现状,比较后得出了以磷酸为质子载体的HTPEM性能最佳的结论,指出了研究中尚存的问题,并展望了未来HTPEM可能的研究方向。     

质子交换膜燃料电池研究及应用现状

介绍了国内外质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究的整体现状及水平,分别讨论了PEMFC的3个关键部件:质子交换膜的材料要求,电化学反应催化剂的特点,膜电极的组成、制备工艺和最新进展,重点讨论了全氟磺酸型质子交换膜的类型、优缺点和当前的研究方向。在此基础上,追述了近年来国内外以PEMFC作为电动汽车动力源的实际应用情况,并指出应用PEMFC存在的问题。可以看到,PEMFC具有广阔的应用前景,将会在电动汽车方面得到最早的商业化应用。     

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。     

Study of high-temperature proton exchange membrane through one-step encapsulation of ionic liquid in sulfonated poly(ether ether ketone)

The proton exchange membrane (PEM) is the core component of a high-performance proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Since the traditional PEM has the disadvantages of poor cell performance and high cost, a new kind of PEM with good proton conductivity, low cost and simple preparation should be explored. In this paper, several different binary hybrid membranes were successfully prepared through one-step encapsulation of different ionic liquids (ILs) in sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK). The prepared membranes were characterized by scanning electron microscope (SEM), thermogravimetric analysis (TG), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), proton conductivity measurements and dynamic mechanical analysis (DMA). SEM images showed that ILs were fully doped into SPEEK. FT-IR and XPS proved that SPEEK and IL formed a new chemical bond combined with intermolecular hydrogen bonds. The TG results showed that the binary hybrid membranes could maintain stability even at 300°C. The water uptake and swelling ratio showed that the water absorption capacity of the binary composite membrane played a vital role in improving proton conductivity. The proton conductivity study showed that ILs doping also helped to improve the proton conductivity of the SPEEK membrane. When the doping amount of IL was maintained at 30 wt.%, it has the highest proton conductivity, 25 mS cm⁻¹ at 120°C. It was proved that anhydrous hybrid membrane tetraphenyl imidazole sulfate/SPEEK ([IM2][H₂PO₄]/SPEEK) could be used in PEMFC at medium temperature.     

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仿真模型研究进展

质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。     

Modeling the steady-state effects of cationic contamination on polymer electrolyte membranes

When cationic impurities, such as Na⁺, Ca²⁺, or metal cations, are present in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) the performance of the PEMFC can be significantly reduced. These effects were modeled in a PEM by solving the Nernst-Planck equation for all cationic species in the membrane. The model shows that cationic contaminants will always be more concentrated on the cathode side of the PEM when current is drawn through the PEM. This was attributed to the trade off between diffusion and migration of contaminants in the membrane. It was then theorized that at high currents and contamination levels a maximum current density of protons through the PEM would be encountered. This model allows us to better understand the effects of cationic contamination on PEMFCs. This understanding should lead to development of new modes for diagnosis and better methods to recover fuel cell performance.