质子交换膜燃料电池阴极催化层疏水性优化（英文）

本文采用CCM法(catalyst coated membrane)技术,结合单电池极化曲线、电化学阻抗谱、极限电流法和表面接触角等多种表征技术,系统研究了直接聚四氟乙烯(PTFE)分子添加以及PTFE修饰的疏水性碳(PTTE@XC72)等不同疏水化方法对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极催化层电化学性能、氧气传输阻抗和质子传输阻抗的影响。在此基础上,通过构建PTFE梯度化疏水性结构来进一步优化PEMFC的性能。结果表明,与添加PTFE@XC72相比,直接添加适量的PTFE分子对膜电极(MEA)性能提升效果更为显著,这主要与该疏水结构可在维持高速质子传导的同时,极大降低催化层的氧气传输阻抗有关。当直接添加的PTFE与催化层中碳载体的质量比为0.1时,MEA呈现最好的性能。在添加PTFE@XC72的MEA中,由于额外的碳颗粒导致催化层厚度增加,延长了反应物质的传输路径,从而使得质子传输阻抗和氧气传输阻抗均上升。在此基础上,通过在催化层不同位置直接添加PTFE构建梯度化疏水性结构。结果表明,当适量PTFE靠近催化层与气体扩散层界面分布时,MEA呈现最好的性能,峰值功率密度比未经疏水性处...     

质子交换膜燃料电池模型研究进展

综述了质子交换膜燃料电池 (PEMFC)数学模型的研究进展 ,分析PEMFC中膜、催化层、扩散层和流场区域的传递现象和水、热管理的重要性 ,讨论了模型的维数、复杂性和求解方法 .提出了带有时间维数的PEMFC模型研究的实际应用意义     

直接甲醇燃料电池膜电极的研究与进展

膜电极(MEA)是直接甲醇燃料电池(DMFC)的核心部件。文中对MEA的研究现状从4个方面进行了详细评述。首先,对组成MEA的关键材料,如电催化剂、质子交换膜、扩散层的研究进展进行了介绍,认为开发低温高效、贵金属载量低的电催化剂以及研制低成本、低甲醇渗透的非氟质子交换膜是MEA关键材料的研究方向。第二,对于MEA的制备方法,文中对以GDL为支撑体的GDE法和以PEM为支撑体的CCM法进行了详细的评述,认为CCM法是今后MEA制备工艺的重要发展方向。第三,关于MEA的表征技术,认为采用电化学方法结合现代谱学技术仍是未来一段时间对MEA表征的主要手段。第四,介绍了MEA数学模型的研究现状,DMFC数学模型的研究是以PEMFC的模型为基础建立起来的,但是建立DMFC的数学模型更为复杂,认为今后对DMFC膜电极模型的研究要充分考虑阳极二氧化碳与甲醇水溶液的两相流问题以及阴极甲醇渗透对电池性能影响的问题。最后,对直接甲醇燃料电池膜电极未来的发展进行了展望。     

PEMFC膜电极组件(MEA)制备方法的评述

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件.本文在简述MEA结构的基础上,根据MEA制备过程中催化层支撑体不同,将目前已有的多种MEA制备方法分为两类制备模式:以GDL为支撑体和以PEM为支撑体的制备模式.文中对这些制备方法的特点进行了详细评述,对MEA制备方法的发展趋势进行了展望,认为以PEM为支撑体的制备模式是今后MEA制备的主要发展方向.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜燃料电池 (PEMFC)以质子交换膜 (PEM )作为电解质和隔膜 ,其性能强烈地依靠PEM的性质 .本文分析了PEMFC对PEM的要求 ,对全氟化、部分氟化和非氟化的PEM进行了分类介绍 ,着重讨论了膜的结构、制备、性质以及它们在PEMFC中的应用     

质子交换膜燃料电池膜电极耐久性的提升

质子交换膜燃料电池由于具有能量转换效率高、操作温度低、环境友好等优点而备受人们关注。随着2014年丰田发布燃料电池电动汽车Mirai,带来了新一轮燃料电池及燃料电池汽车的产业化热潮。然而,提升质子交换膜燃料电池的寿命,开发新一代长寿命燃料电池膜电极及燃料电池仍然是本领域的挑战性课题。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池最核心的部件,其耐久性直接决定着燃料电池的寿命。MEA主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层三部分组成。本文从质子交换膜、催化剂及载体、气体扩散层三个方面介绍了近年来国内外在提升燃料电池膜电极的寿命(耐久性)方面所做的工作,并对未来的相关研究和发展做了述评及展望。     

质子交换膜燃料电池用膜材料的性能表征

质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键组件之一,其性能的好坏在很大程度上决定了PEMFC的性能。本文对PEMFC膜材料的性能表征进行了综述,讨论了膜材料的孔隙率、密度、粘度、磺化率、稳定性、选择透过性及导电性等性能的表征。     

质子交换膜燃料电池中的电化学催化

系统介绍了重庆大学在质子交换膜燃料电池(PEMFC)电化学催化方面的研究工作.指出PEMFC成流过程中造成电池性能衰减及寿命短与催化剂和膜电极(MEA)相关的主要因素有:催化剂在载体表面迁移、聚结、溶解,随同载体腐蚀一并流失,催化剂中毒,MEA催化层水淹导致反应气体短缺而引起的"负差效应"以及小分子有机物缓慢的氧化动力学.重庆大学燃料电池研究小组近年来从分子模拟机理出发,结合实验求证,探索制备高活性、高稳定性、高催化剂利用率、抗溺水性电极的方法、技术和手段,为提高催化剂的寿命和利用率,降低催化剂成本,寻求可行的解决办法.     

质子交换膜燃料电池铂基催化剂研究进展北大核心CSCD

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有能量密度高、利用率高、清洁安静等优点。在不同类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)不仅能量密度高,而且具有在近常温条件下工作的特点,因此受到广泛关注。目前,商业化PEMFC仍采用铂基纳米材料作为催化剂,其中缺乏低成本、高效的阴极催化剂是限制PEMFC性能提升和成本降低的关键因素之一。本文综述PEMFC催化剂的结构可控制备及其对阴极氧还原反应和膜电极性能的影响,阐述调控催化剂结构提高PEMFC性能的方法,特别是提高贵金属催化剂的利用率,降低膜电极中贵金属用量的研究进展。     

分散溶剂对PEMFC催化层中超薄Nafion离聚物质子传导的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化应用的瓶颈仍然是贵金属催化剂导致的成本问题。然而,目前对于催化层中纳米尺度全氟磺酸离聚物(以Nafion为代表)薄膜中质子传导的问题研究不足,无法完善三相界面的成型规律,进而指导催化层设计。在催化层浆料制备过程中,分散溶剂对Nafion的分散形态有直接影响,可能对催化层成型后附着在催化剂颗粒表面Nafion薄膜的微观结构有潜在影响,进而影响Nafion薄膜的质子传导能力。因此,在本文中利用分子自组装技术模拟催化层离聚物薄膜的聚集过程,于模型基底上制备厚度精确可控的纳米尺度Nafion薄膜,并通过微观测试表征技术探索并建立纳米尺度Nafion离聚物的微观结构模型,阐明分散溶剂对Nafion薄膜微观结构及质子传导的影响。研究发现Nafion薄膜在纳米尺度下的质子电导率比体相膜的质子电导率低一个数量级,使用介电常数较小的醇类溶剂可以使Nafion薄膜形成更有利于质子传导的微观结构,使Nafion薄膜的质子电导率得到提高。相关研究结果为优化PEMFC催化层结构,改善PEMFC催化层中质子传导问题提供给了依据。     

聚偏氟乙烯微孔膜的亲水化改性及功能化研究进展

聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜的亲水化改性方法有物理共混、化学共聚、表面涂覆、表面化学处理、表面接枝等几种。其中物理共混和表面涂覆法比较成熟且已获得应用，而PVDF微孔膜的表面化学处理、等离子体或光引发改性技术以及环境敏感性等将成为PVDF微孔膜的改性和功能化研究的主要方向。     

硫化氢燃料电池的无机质子传导膜与MEA制备和性能

制备了硫化氢固体氧化物燃料电池的无机质子传导膜和膜-电极-组装(MEA)。用扫描电镜(SEM)和电化学阻抗(EIS)技术表征了无机质子传导膜和MEA的形貌与性能。研究了不同膜厚和掺杂或没有掺杂Li₂WO₄组分的传导膜和MEA的性能。结果表明，与没有掺杂Li₂WO₄组分制备的MEA相比，掺杂了Li₂WO₄组分制备的MEA的电导提高了一个数量级，掺杂了Li₂WO₄制备的MEA硫化氢燃料电池在操作条件下具有更好的化学稳定性和电化学性能。以Mo-Ni-S为主要成分的复合阳极、0.8 mm厚和组成为67wt% Li₂SO₄ + 8wt% Li₂WO₄ + 25wt% Al₂O₃复合材料制备的质子传导膜、NiO为主要组分的复合阴极构成的MEA硫化氢燃料电池，在650、700和750 ℃时，最大输出功率密度分别达到50、85和130 mW·cm^-2，最大电流密度分别为200、350和480 mA·cm^-2。     

质子交换膜燃料电池梯度化膜电极

为实现质子交换膜燃料电池的高性能(高功率密度或大电流密度)、低成本(低铂载量)、长寿命发电,人们尝试在燃料电池的核心部件膜电极结构中引入梯度化设计的概念。梯度化膜电极包括膜电极中各组件的梯度化:气体扩散层的PTFE含量与孔隙率的梯度化,催化层的催化剂与Nafion用量的梯度化以及微孔层的疏水性与孔隙率的梯度化。梯度化膜电极中催化剂分布、孔隙率分布、亲/疏水性分布合理,具有良好的三相反应界面以及质子、电子、反应气体、水等多相物质高效传输通道,从而能满足在低铂载量、低加湿以及高电流密度条件下高性能稳定工作。本文整理了近几年来有关燃料电池梯度化膜电极研究的相关文献,梳理了梯度化膜电极研究发展脉络,归纳总结了各种梯度化膜电极的制备方法、性能以及构效关系,并展望了梯度化膜电极下一步研究方向,对高性能、低成本、长寿命的燃料电池开发具有指导意义。     

不同价态铁离子对膜生物反应器影响研究进展

膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)作为一种新型的污水处理技术,近些年来备受关注。然而,膜污染问题成为了该工艺广泛应用的最大障碍。现已证明,向MBR中投加铁系混凝剂能够减缓膜污染。本文首先综述了不同价态铁离子对MBR污染物去除的影响,然后对铁离子在污泥混合液中分布及迁移转化进行了分析,接着阐明了铁离子对膜污染的影响,最后对该领域的研究进行了展望。     

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.     

双层类脂膜成膜过程的电化学方法研究

应用循环伏安法(CV),计时电流法(I＿T)和开路电压法(V＿T)研究了导电玻璃支撑的双层类脂膜(ITO/s＿BLM)的成膜动力学过程.实验表明,导电玻璃(ITO)是一种理想的成膜支撑基底,ITO/S＿BLM膜具有成膜快稳定时间长的特点.与循环伏安法相比,计时电路法和开路电路法能更为详细地给出膜系统组装的瞬时信息.ITO/s＿BLM体系的膜电压实验值约为0.1V.     

Polymer inclusion membranes: The concept of fixed sites membrane revised

The mechanism of facilitated transport of metal ions across polymer inclusion membranes (PIMs) is revised on the basis of transport flux measurements and of new data brought by techniques sensitive to local inter-molecular interactions and molecular diffusion. Cellulose triacetate (CTA) membranes built with two types of inclusion carriers: a liquid one Aliquat 336 and a crystalline one Lasalocid A, both able to carry metal ions across PIMs and supported liquid membranes (SLMs) made of the same components, have been compared. Both PIM systems show similar effects for what concern the need of a carrier threshold concentration for the occurrence of a transport flux across PIM as revealed by flux and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) measurements, and the dependence of the chemical nature of plasticizers on the metal ion flux. These systems also present similar Raman and far IR signatures of structural evolution of PIMs with the increase of the carrier concentration within the CTA matrix.

All the presented data are interpreted as concern PIMs, according to an evolution of chemical interactions between components of the polymeric membrane able to lead to a phase transition. This phase transition type of the carrier-plasticized polymer system is induced by the increase of carrier concentration in the polymer chains. The PIM progressively organizes itself like a liquid SLM because of the enhancement of preferential solvent interactions between the carrier and the plasticizer.

The main conclusion of this study is that the classically adopted “hopping” transport mechanism between fixed carrier sites in a PIM does not apply to such carrier chemically unbound to polymer membrane systems.     

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...     

High performance of PES-GNs MMMs for gas separation and selectivity

In this study, graphene nanosheets (GNs) were incorporated into polyethersulfone (PES) by phase inversion approach for preparing PES-GNs mixed matrix membranes (MMMs). To investigate the impact of filler content on membrane surface morphology, thermal stability, chemical composition, porosity and mechanical properties, MMMs were constructed with various GNs loadings (0.01, 0.02, 0.03, and 0.04 wt%). ?The performance of prepared MMMs was tested for separation and selectivity of CO₂, N₂, H₂ and CH₄ gases at various pressures from 1 to 6 bar and temperature varying from 20 to 60 °C. It was observed that, compared to the pristine PES membrane, the prepared MMMs significantly improved the gas separation and selectivity performance with adequate mechanical stability. The permeability of CO₂, N₂, H₂ and CH₄ for the PES + 0.04 wt% GNs increases from 9 to 2246, 11 to 2235, 9 to 7151, and 3 to 4176 Barrer respectively, as compared with pure PES membrane at 1 bar and 20 °C due to improving the membrane absorption and porosity. In addition, by increasing the pressure, the permeability and selectivity of CO₂, N₂, H₂ and CH₄ are increased due to the increased driving force for the transport of gas via membranes. Furthermore, the permeability of CO₂, N₂, H₂ and CH₄ increased by increasing the temperature from 20 to 60 °C due to the plasticization in the membranes and the improvement in polymer chain movement. This result proved that the prepared membranes can be used for gas separation applications.     

Separation of lignosulfonate from its aqueous solution using supported liquid membrane

This paper presents an experimental and theoretical study on facilitated transport of lignosulfonate (LS) through a flat sheet supported liquid membrane using trioctylamine (TOA) as carrier and dichloroethane as diluent. The studies were carried out with various support materials and operating conditions (viz. carrier concentration, strip phase concentration, salt concentration, etc.) and their effects on the transport of LS. The results were analyzed to identify a suitable combination of support and operating condition that would yield best performance of the supported liquid membrane (SLM) in terms of fast and efficient transport of LS. The stability of the SLM was assessed in terms of loss of liquid from the pores of membrane support. The SLM is found to be stable till 10 h. Co-transport mechanism has been adopted in this work by using NaOH as the strip phase. It was observed that extraction of LS is increased with increase in concentration of NaOH up to a limiting value of 0.5 M NaOH. Difference of salt concentration between feed and strip phase considerably affect the separation process. The diffusional resistances of organic membrane (Δorg) and aqueous solution (Δaq) calculated from the permeation model, which is again a combination of three unique mechanisms viz., diffusion through a feed aqueous layer, a fast interfacial chemical reaction, and diffusion of carrier–complex through the organic membrane, are found to be 609.9 and 176.6 s cm⁻¹, respectively. The values of the diffusion coefficient in the membrane (D_org) and in the bulk organic phase (D_complex) are 1.67×10⁻⁹ and 6.68 × 10⁻⁸ m²s⁻¹, respectively. The extraction of LS is about 90%. Nearly 43% of LS can be recovered at optimum condition.