质子交换膜燃料电池氮掺杂碳基催化剂研究进展

简要介绍了近年来氮掺杂碳基催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原方面的应用发展状况,详细总结了最近几年有关氮掺杂碳基催化剂制备及机理方面的研究结果,包括氮源前驱体种类、金属前驱体种类、金属的含量、碳源前驱体种类、热处理工艺等影响催化剂氧还原活性的主要因素,并指出了目前研究中的难点以及未来的发展方向。     

新型碳材料质子交换膜燃料电池Pt催化剂载体的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度大、室温启动快、噪音低和零污染等特点,有望减少二氧化碳排放量,缓解能源危机,在轨道交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景。催化剂是PEMFC的关键材料, Pt催化氧还原反应活性和稳定性好,是广泛使用且很难被取代的电催化剂。然而Pt储量低、价格昂贵,导致PEMFC成本较高,使用Pt载体可减少PEMFC的Pt负载量,提高Pt利用率。碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔结构丰富、电导率和表面性质可调等特性,是广泛应用的Pt载体。商用的炭黑载体对Pt的利用效率低,抗电化学腐蚀性较差。为了进一步提高PEMFC的性能和持续性,需要研发能够均匀负载Pt、高效利用Pt、抗电化学腐蚀性强且导电性好的碳载体,进而实现PEMFC的大规模应用。炭气凝胶、碳纳米管和石墨烯等新型碳载体具有独特的结构和性质,可以提高PEMFC性能和寿命,引起了研究者的广泛关注。本文对近年来PEMFC新型碳材料Pt载体的研究进展进行了较为详细的综述,并对其发展趋势作出了适当评论。     

燃料电池研究进展及产业化对策

燃料电池是一种高效清洁能源,发展燃料电池对保护环境及能源的可持续发展具有重要意义。目前,燃料电池的规模化生产和实际应用等方面取得了一些成果。但是,由于成本高,技术还有待完善,从而阻碍其产业化发展。制约燃料电池成本的主要因素是电极材料和制备工艺。以质子交换膜燃料电池为例,必须通过减少贵金属用量或发现新体系材料而取代目前使用的催化剂、离子交换膜和双极板,才能大幅度降低电池的价格。燃料电池的产业化应根据不同类型燃料电池的特点及市场准则,先易后难,逐步推广。     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的和绝缘电子的作用,其性能和寿命直接决定电池的性能和寿命.从膜材料的角度分类,综述了质子交换膜燃料电池用主链含氟聚合物膜、元素有机聚合物膜以及芳香族碳氢化合物膜的特性和研究现状.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

介绍了各种新型质子交换膜(PEM)的研究开发状况,阐述了对全氟磺酸树脂膜改性的研究进展,并对质子交换膜的研究方向和趋势进行了预测.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

对燃料电池用质子交换膜的研究进展进行了简要的概述,特别是从膜材料角度分类．较详细的介绍了全氟化质子交换膜,部分氟化质子交换膜,接枝、交联、共混型质子交换膜等的特性及最新的研究状况,并对其发展前景进行了探讨．     

新型燃料电池质子交换膜的研究进展

由于当前所使用的质子交换膜材料存在成本高、无法高温操作和不够环保等缺点,开发新型的成本低、性能高的质子交换膜越来越引起人们的重视．对于新型质子交换膜的研制主要体现在两个方面,一个是对于全氟磺酸型膜的改进和增强,包括加入支撑材料或掺杂增强材料等方法;另一个是彻底抛开全氟树脂,开发新型的质子交换膜材料,其中包括直接磺化、直接聚合、接枝、掺杂等制备方法,简要评述了这些方法的优缺点和这些膜材料的性能,并附以实例说明．     

燃料电池用质子交换膜的研究开发

质子交换膜作为燃料电池的关键材料之一,对新型膜材料及其性能的研究工作受到了越来越广泛的重视,本文综述了质子交换膜技术的现状及发展趋势,重点阐述了实用的全氟磺酸膜以及适合于中温PEMFC的耐热型质子交换膜的性能要求及发展趋势.     

新型燃料电池用质子交换膜研究进展

传统的全氟磺酸膜Nation、Dow质子交换膜、Flemion等目前在质子交换膜燃料电池中的应用最为广泛，但在高温条件下以氢或甲醇作为燃料的燃料电池中，其性能受到一定的影响，且这类膜价格昂贵，不利于推广应用，阻碍了燃料电池的商业化进程。因此，开发一种新型的价格低廉、性能良好的膜是推广应用此类电池的关键。本文简要介绍了目前各国研究的应用于高温条件下(100～160℃)质子交换膜燃料电池与直接甲醇燃料电池中的新型膜。对它们的质子传导率、甲醇渗透率等性能进行了分析比较。     

燃料电池用磺化聚醚醚酮薄膜的研究进展

概述了近几年来燃料电池用磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜的研究进展,分别从聚醚醚酮(PEEK)磺化制备SPEEK、SPEEK薄膜的制备和改性SPEEK薄膜等几个方面总结了SPEEK质子交换膜的研究结果,并分析展望了研究工作的发展趋势.     

PEMFC电催化剂研究进展

介绍了质子交换膜燃料电池用电催化剂的研究进展.论述了Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-W、Pt-Mo等阳极催化剂以及Pt-Fe、Pt-Co、Pt-Cr等阴极催化剂的制备方法、催化机理和性能;介绍了无铂大环螯合物和过渡金属复合氧化物等非铂系催化剂和碳纳米管等新型载体催化剂的研究进展,提出了PEMFC用催化剂的研究方向.     

Ultrathin Ultralow-Platinum Catalyst Coated Membrane for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Catalyst coated membrane (CCM) is the core component of proton exchange membrane fuel cells and is routinely fabricated by spraying Pt/C slurries onto membrane, resulting in low activity and thick catalyst layer (CL, 5–10 µm) with an unaffordable Pt loading of 0.2–0.4 mg cm⁻² and a large mass transfer resistance at cathode. Highly active ultrathin ultralow-Pt CL (UUCL) is urgently required, but remains rare. Herein, wet-chemical direct growth of UUCLs on both sides of membrane to achieve integrated ultrathin ultralow-Pt catalyst coated membranes (UUCCMs) with a cathodic CL thickness of 79.7 ± 15.0 nm and a Pt loading of 20.2 ± 1.6 µg cm⁻² is reported. The key to this unique fabrication is the release of proton from membrane to regioselectively initiate the growth of interconnected Pd nanoneedle clusters array on membrane, followed by high-density deposition of Pt nanoparticles on Pd (Pt/Pd UUCLs). The single cell of UUCCMs exhibits the highest mass peak power density of 59.9 W mg_Pt,Cathode⁻¹ in the literature. The exceptional activity originates from high electrochemically active surface area, remarkable oxygen reduction reaction activity closely correlated with strain, and electronic effect at Pt/Pd interface, as well as improved mass transfer and optimal water management.     

改性碳纳米材料在低温燃料电池中的应用

碳纳米材料(如炭黑、介孔碳、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米角等)因其优异的电学性能和结构特性(良好的导电性能和超大的比表面积),被研究者广泛用作低温燃料电池贵金属催化剂的载体。然而,作为催化剂载体的这类碳纳米材料通常都存在电化学腐蚀的问题,碳载体的腐蚀通常会导致贵金属纳米催化剂的聚集,这将使催化剂的性能降低。为了改善碳载体的抗腐蚀性能,提高金属纳米粒子的活性和稳定性,许多研究工作致力于制备特殊结构的碳纳米材料,或对碳纳米材料进行表面修饰、掺杂等。与此同时,为了取代价格昂贵的贵金属催化剂,非贵金属催化剂的研究也成为一大热点,掺杂碳纳米材料就是研究热点之一。对近几年来围绕碳纳米材料制备、改性,以及这些改性碳纳米材料作为金属纳米粒子载体等的研究工作做了较为详细的综述,同时介绍了掺杂碳纳米材料作为氧还原催化剂的研究进展。     

改性碳纳米材料在低温燃料电池中的应用

碳纳米材料(如炭黑、介孔碳、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米角等)因其优异的电学性能和结构特性(良好的导电性能和超大的比表面积),被研究者广泛用作低温燃料电池贵金属催化剂的载体.然而,作为催化剂载体的这类碳纳米材料通常都存在电化学腐蚀的问题,碳载体的腐蚀通常会导致贵金属纳米催化剂的聚集,这将使催化剂的性能降低.为了改善碳载体的抗腐蚀性能,提高金属纳米粒子的活性和稳定性,许多研究工作致力于制备特殊结构的碳纳米材料,或对碳纳米材料进行表面修饰、掺杂等.与此同时,为了取代价格昂贵的贵金属催化剂,非贵金属催化剂的研究也成为一大热点,掺杂碳纳米材料就是研究热点之一.对近几年来围绕碳纳米材料制备、改性,以及这些改性碳纳米材料作为金属纳米粒子载体等的研究工作做了较为详细的综述,同时介绍了掺杂碳纳米材料作为氧还原催化剂的研究进展.     

质子交换膜燃料电池用炭纸的制备

以改性酚醛树脂为粘合剂,炭纤维纸为坯体,通过浸渍、模压固化、炭化、石墨化工艺制得质子交换膜燃料电池气体扩散层用炭纸,表征了炭纸的基本性能并与东丽炭纸的相关性能进行了对比。结果表明,自制炭纸的厚度为0.189mm,密度为0.446g/cm3,均与东丽炭纸相近;孔隙率为83%,比东丽炭纸提高18.6%;体电阻率为3.35mΩ.cm,面电阻率为3.86mΩ.cm,分别比东丽炭纸减小了25.9%和39.7%;压差为88.2Pa时透气率达5100mL.mm/(cm2.h.mmAq),比东丽炭纸提高了41.67%;抗拉强度为29.98MPa,比东丽炭纸提高约16.5%;与东丽炭纸相比,自制炭纸的电压输出性能略有下降但不明显。     

Nitrogen‐Coordinated Single Cobalt Atom Catalysts for Oxygen Reduction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Due to the Fenton reaction, the presence of Fe and peroxide in electrodes generates free radicals causing serious degradation of the organic ionomer and the membrane. Pt‐free and Fe‐free cathode catalysts therefore are urgently needed for durable and inexpensive proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Herein, a high‐performance nitrogen‐coordinated single Co atom catalyst is derived from Co‐doped metal‐organic frameworks (MOFs) through a one‐step thermal activation. Aberration‐corrected electron microscopy combined with X‐ray absorption spectroscopy virtually verifies the CoN₄ coordination at an atomic level in the catalysts. Through investigating effects of Co doping contents and thermal activation temperature, an atomically Co site dispersed catalyst with optimal chemical and structural properties has achieved respectable activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) in challenging acidic media (e.g., half‐wave potential of 0.80 V vs reversible hydrogen electrode (RHE). The performance is comparable to Fe‐based catalysts and 60 mV lower than Pt/C ‐60 μg Pt cm^?2). Fuel cell tests confirm that catalyst activity and stability can translate to high‐performance cathodes in PEMFCs. The remarkably enhanced ORR performance is attributed to the presence of well‐dispersed CoN₄ active sites embedded in 3D porous MOF‐derived carbon particles, omitting any inactive Co aggregates.     

质子交换膜燃料电池双极板的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢能为主要能源,具有能量转换效率高、对环境友好、工作温度低等优点,有着广阔的应用前景,但PEMFC技术在成本和性能指标方面还面临着严峻的挑战。双极板是PEMFC的重要组成部分,在其重量和成本中占有很大比例,并且具有诸多无可替代的作用。总结了3种常用的双极板基体材料(石墨材料、复合材料、金属材料)及其常用的几种改性方式的特点,重点综述了近几年应用较多、成本低廉的不锈钢双极板及其常用的改性手段。