燃料电池用聚合物质子交换膜的研究进展

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,具有隔绝阴阳极、提供质子传递通道和阻止燃料渗透的作用. 商业化应用的全氟磺酸PEM存在燃料渗透严重、高温条件下导电性差和成本高的问题,开发性能优良的聚合物PEM显得很有必要. 本文讨论了近年来聚合物PEM的研究进展,分别从聚合物的主链、支链和交联结构角度介绍了分子结构对薄膜相分离、质子导电性、稳定性和电池性能等性能的影响,并讨论了聚合物分子结构设计方面存在的问题,最后对燃料电池用聚合物PEM在未来的发展方向进行了展望.     

质子交换膜燃料电池零下冷启动研究

在零下启动过程中,质子交换膜燃料电池阴极中氧气还原反应生成的水会在催化剂层内部结冰,因而阻碍氧气传输,覆盖催化剂层反应活性位点,降低电化学活性面积,影响燃料电池发电性能,甚至会导致零下启动失败;同时,结冰/融化循环还会破坏膜电极结构,影响燃料电池寿命。因此,质子交换膜燃料电池零下启动技术的研究对促进燃料电池汽车的推广应用有重要意义。本文针对质子交换膜燃料电池的零下启动过程,从实验研究、机理解释、模型分析及策略开发等角度对文献内容进行了梳理,并对涉及质子交换膜燃料电池零下启动过程的专利技术进行了总结。     

燃料电池用跨温区质子交换膜材料研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种电化学能量转换器件，能将燃料中的化学能转换为电能，具有高效、清洁、寿命长等优点，可应用于动力电池、固定式和便携式电源等领域。质子交换膜(PEM)是其中的关键部件，主要用于隔离阴阳两极和传递质子等。但当前质子交换膜燃料电池的发展面临着成本高、寿命不足等挑战。本文结合近年的研究热点，从质子传输机制出发将质子交换膜燃料电池分为磺酸功能化PEM和磷酸掺杂型PEM两大类，从主链结构的差异以及改性方法等方面综述近年来的研究进展，详细介绍了材料的化学结构、膜材料性能、电化学性能等，并针对现存的一些问题和不足对质子交换膜燃料电池今后的发展方向进行了展望。     

非含氟型磺化聚合物质子交换膜材料的研究进展(下)

概述了近十年来非含氟型磺化聚合物质子交换膜材料的研究进展,包括各种材料的制备和性质,详细地讨论了材料的化学结构、形态与其性能(质子导电率、耐水性、尺寸稳定性、吸水率、抗自由基氧化性、甲醇透过率等)之间的关系,其中结合作者在磺化聚酰亚胺方面的研究工作,重点对这类材料进行了系统、深入的介绍和讨论.最后,本文还对今后燃料电池用质子交换膜材料的研究提出了一些设想和展望.本文分为上下两篇,其中下篇主要综述了非含氟型磺化聚合物的性能与结构形态之间的关系.     

新颖无机质子传导材料的研究进展

质子传导在燃料电池、气体传感及电致显色等领域有重要的研究前景.尤其是在燃料电池领域,由于其具有低污染、高效率、操作简单和寿命长等优点而被广泛应用.本文介绍了质子传导在质子交换膜燃料电池中的重要作用及工作原理,分析了质子交换膜的质子传导机理,并简要分析总结了近年来关于无机及其复合质子导体材料的研究进展.     

静电纺丝制备质子交换膜燃料电池催化剂层综述

质子交换膜燃料电池催化剂层在成本、耐久性以及性能上的局限是制约燃料电池汽车商业化的瓶颈. 已有文献证明静电纺丝技术制备的纳米纤维催化剂层能提高催化剂利用率、增加三相界面和三相通道以及提高耐久性. 作者结合所在课题组的工作综述了静电纺丝技术制备质子交换膜燃料电池催化剂层的研究进展. 首先,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展历程,并从制备方式和结构两个方面对其进行分类和总结;接下来,从静电纺丝纳米纤维催化剂层的制备、物理特性表征、电化学性能分析及耐久性表征等方面进行了总结;最后,从三相界面、三相通道以及量产适用性的视点比较了三种结构的催化剂层,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展趋势,并梳理了静电纺丝法制备质子交换膜燃料电池催化剂层领域待研的问题.     

静电纺丝纳米纤维在燃料电池质子交换膜中应用的研究进展

保护环境,开发环保型能源,对人类和社会具有重要意义。 质子交换膜燃料电池由于具有燃料转化率较高和无污染的优点,备受关注。 静电纺丝纳米纤维具有比表面积大、高孔隙率和三维的相互连通的网状结构等特点,可以在燃料电池质子交换膜中得到广泛应用。 静电纺丝纳米纤维类复合质子交换膜具有较高的质子传导率,较低的燃料渗透率,较好的化学稳定性能、热稳定性能和机械性能。 本文首先介绍了质子交换膜燃料电池,然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发,介绍了静电纺丝纳米纤维在Nafion、磺化聚酰亚胺(SPI)、聚苯并咪唑(PBI)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)等不同种类的离子型聚合物质子交换膜中的研究现状及作用机理,同时对静电纺丝纳米纤维在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。     

化学与生物改性合成质子交换膜*

新型质子交换膜的研究主要集中在Nafion膜的化学或物理改性、化学合成材料的更新以及新型的生物材料燃料电池用质子交换膜的研发。本文对燃料电池用质子交换膜近3年的研究进展做了综述,并对PEMFC质子交换膜的发展前景进行了探讨与预测。     

磺化嵌段型共聚物在质子交换膜燃料电池中的应用*

燃料电池是以碳氢化合物为燃料的一种新型、清洁的发电装置,而其中的质子交换膜燃料电池由于具有可快速启动的优点而可应用于机动车等领域。所用的质子交换膜需要具有高的质子传导性、低的甲醇/水渗透性、好的机械和热稳定性以及合适的价格等特点,但目前已经工业化的Nafion膜并未能全部满足上述要求。为了解决这些问题,目前已经开发了多种新的质子交换膜。本文对其中的磺化嵌段型聚醚砜、磺化嵌段型聚酰亚胺和苯乙烯基嵌段共聚物在质子交换膜燃料电池中的应用进行了综述,并与Nafion膜和相应的无规共聚物的性能进行了比较。最后展望了嵌段共聚物在质子交换膜领域的发展趋势。     

有机-无机复合质子交换膜的制备与界面特性

有机-无机复合质子交换膜的开发是燃料电池用质子交换膜的一个重要研究方向,本文综述了有机-无机复合质子交换膜的制备方法,分析了两相之间的界面特性,并对这种复合膜的研究前景进行了展望.     

耐高温含氟磺化聚苯并咪唑的合成及表征

采用5-磺酸钠间苯二甲酸、双(苯甲酸)六氟丙烷与3,3',4,4'-四氨基联苯在多聚磷酸中通过共缩聚反应, 合成了一系列磺化度(定义为100个重复单元中所含的磺酸基个数, SD)可控的含氟磺化聚苯并咪唑(sPBI), 并利用红外光谱、核磁共振、凝胶色谱和热失重分析等手段对其结构、分子量与热稳定性进行了表征, 还考察了其溶解性和成膜性. 结果表明, sPBI的数均分子量(M_n)为61300～86000, 多分散指数介于1.96～2.34之间, 并且sPBI具有良好的成膜性和优异的热稳定性能, 其5%和10%热失重对应温度均随着SD的增加而有所提高, 在SD为70%时分别为549和576 ℃. 此类聚合物在质子交换膜材料方面具有一定的应用前景.     

聚偏氟乙烯溶液法接枝苯乙烯磺酸膜的结构与形貌研究

以过氧化苯甲酰(BPO)作引发剂，通过溶液接枝聚合法把苯乙烯接枝到碱处理过的聚偏氟乙烯(PVDF)膜上，磺化后得到聚偏氟乙烯接枝苯乙烯磺酸(PVDF-g-PSSA)电解质膜。研究发现碱处理过的PVDF膜更容易与苯乙烯发生接枝聚合反应，且接枝率与碱处理时间呈线性变化关系。用红外光谱、差示扫描量热法检测PVDF膜经过接枝以及随后的磺化所发生的膜结构变化，并用SEM观察PVDF膜接枝前后以及接枝磺化后产物PVDF-g-PSSA膜的形貌及硫分布。研究表明，用KOH碱处理过的PVDF膜与苯乙烯进行接枝共聚反应时，PVDF膜结构在接枝前后和磺化前后发生变化，说明苯乙烯确实接枝到PVDF膜上。     

Sol-Gel Synthesis and Characterization of SiO2—P2O5—ZrO2

Zirconia phosphosilicates were prepared by the sol-gel method using tetraethylorthosilicate, triethyl phosphate, and zirconium n-propoxide. Monolithic, transparent gels were formed with 10 mole% ZrO₂, and 10, 20 or 30 mole% P₂O₅. The influence of the mole% P₂O₅, treatment temperature and water content, on thermal behavior, water adsorption, and proton conductivity were studied. A heat treatment at 200°C was effective in removal of residual organics, creating a porous material capable of good water retention upon rehydration.     

有机溶剂对PEM燃料电池CCM结构和性能的影响

采用直接喷涂法将催化剂涂覆在质子交换膜上形成CCM(catalyst coated membrane),CCM与碳纸扩散层组成膜电极用于质子交换膜燃料电池.制备CCM的混合液由质量分数20%的Pt/C催化剂、质量分数5%的Nafion溶液、有机溶剂和水组成.不同的有机溶剂(乙醇、异丙醇和叔丁醇)、有机溶剂的含量、溶剂的...     

质子交换膜燃料电池有序化膜电极

质子交换膜燃料电池的核心部件--膜电极经历了两代传统制备方法后,已经进入第三代有序化膜电极发展阶段.有序化膜电极包括质子导体有序化膜电极和电子导体有序化膜电极两大类,而电子导体有序化膜电极包括催化剂材料有序化膜电极和催化剂载体材料有序化膜电极.有序化膜电极具有良好的电子、质子、水和气体等多相物质传输通道,从而可以大大降低膜电极中Pt载量、提升燃料电池的发电性能和延长燃料电池寿命.本文整理了近几年有关有序化膜电极的研究报道,梳理了有序化膜电极研究进展,归纳比较了各种有序化膜电极制备方法的优缺点,对未来高性能、低成本和长寿命的膜电极制备技术开发具有指导意义.     

Synthesis and properties of sulfonated poly(arylene ether) containing tetraphenylmethane moieties for proton‐exchange membrane

A novel sulfonated poly(arylene ether) containing tetraphenylmethane moieties was successfully synthesized by the sulfonation of a designed parent polymer using chlorosulfonic acid as sulfonation agent. The sulfonation took place only at the para position on the pendant phenyl rings because of the specially designed parent polymer. The sulfonation degree can be easily controlled by using different ratios of sulfonation agent to polymer repeating unit. The position and degree of sulfonation were characterized by ¹H NMR and elemental analysis. The sulfonated polymers are highly soluble in common organic solvents, such as dimethylsulfoxide, N,N′‐dimethylacetamide, dimethylformamide, ethylene glycol monomethyl ether, and can be readily cast into tough and smooth films from solutions. The films showed good thermal and hydrolysis stabilities. Moreover, Fenton's reagent test revealed that the membrane exhibited superior stability to oxidation. The proton conductivities of the films were determined to be equivalent with Nafion® 117 under same conditions. The new polymer with sulfonic acid function on pendent phenyl rings can be potentially used as a proton‐exchange membrane for polymer electrolyte membrane fuel cell. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part A: Polym Chem 43: 6411–6418, 2005     

Sulfonated carbon nanotubes/sulfonated poly(ether sulfone ether ketone ketone) composites for polymer electrolyte membranes

A series of composite membranes consisting of sulfonated carbon nanotubes (sCNTs) and sulfonated poly(ether sulfone ether ketone ketone) were successfully fabricated via the solution casting method. The chemical structure, as well as the long‐term stability of the sCNTs in different solvents, was investigated by Fourier transform infrared (FTIR) analysis and solubility experiment, respectively. The morphology, tensile strength, proton conductivity, and methanol permeability of the composite membranes were also investigated. The scanning electron microscope (SEM) observation indicated the good dispersion of the carbon nanotubes in polymer matrix as well as the strong interfacial bonding between the sulfonated poly(ether sulfone ether ketone ketone) (SPESEKK) matrix and sCNTs. The addition of either pristine carbon nanotubes or modified carbon nanotubes significantly enhanced the tensile strength of the SPESEKK membrane. The proton conductivity of the SPESEKK membrane increased while the methanol permeability decreased as the sCNTs content increased, showing a strong interaction between the modified nanotubes and SPESEKK. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

质子交换膜用磺化聚芳醚的合成与性能研究

合成了一种用于质子交换膜的新型磺化聚芳醚. 由于特殊单体结构的设计, 在聚合物主链上引入取代基对主链进行保护, 用氯磺酸直接磺化方法在聚芳醚高分子侧基上引入磺酸功能基, 实现了聚合物磺化结构的可控定位合成, 得到了稳定性较好的磺化聚芳醚. 用溶液浇膜法制备了质子交换膜, 考察了质子交换膜的各种性能. 结果表明, 这种膜具有良好的成膜性, 水解性稳定性和优异热稳定性能, 5%的热失重温度为362.3 ℃. 氧化稳定性在80 ℃的Fenton’s试剂(3%的过氧化氢和2 mg/L的FeSO₄)中进行, 膜在69 min时才开始变碎, 表现出良好的氧化稳定性.