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。     

微型氢气/空气自呼吸式质子交换膜燃料电池

数码相机、手提电脑和移动电话等各种新型的电子产品对电池的能量要求越来越高．例如,配备最新的Li离子电池的数码相机只能连续工作30min,手提电脑只运行3h．显然传统电池的发展已越来越不能满足便携式电子设备的用电需求．微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)由于具有高比能量、无需充电和无自放电等优点,在便携式电子设备中具有广阔的应用前景．然而,用传统技术制作μPEMFC不能适应PEMFC微型化要求．因此基于微机电系统(MEMS)技术的微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)已成为国际上的研究热点．2000年,Kelley等基于MEMS技术制作了μPEMFC,随后又在30℃,用加湿氢气作燃料,压缩空气为氧化剂(流速为0．2L／min),电池峰值功率约为120mW／cm^2等条件下进一步研究了μPEMFC。     

车用质子交换膜燃料电池材料部件

车用燃料电池主要包括质子交换膜燃料电池、金属-空气燃料电池等,其中质子交换膜燃料电池是目前车用燃料电池的主要开发对象(以下简称车用燃料电池)。经过全球范围内近十年的持续研发,车用燃料电池在能量效率、功率密度与比功率、低温启动等功能特性方面已经取得了突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。然而,车用燃料电池的耐久性和成本还没达到预期商业化目标,是其产业化的最后障碍。探索和研发燃料电池用新型关键材料部件是解决这两大问题、推进其商业化进程的关键所在,也是车用燃料电池长期的研究重点和热点。本文系统地梳理了近几年来车用燃料电池质子交换膜、催化层、气体扩散层、双板板关键材料部件的研究进展和成果,并分类进行了简要评述,分析了其性能与商业化目标的差距。最后展望了车用燃料电池关键材料部件今后的发展方向。     

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.     

燃料电池膜电极衰减机制及其抗老化策略北大核心CSCD

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量效率和高能量密度、低温快速启动、结构紧凑、无污染、低噪声等优点,在氢能汽车、固定式电站、水下潜艇和通讯电源等方面具有广泛的应用前景.目前影响燃料电池商用化的主要问题是成本和寿命,特别是在工况下急剧的启停、干湿、温度等变化,以及随之带来的机械及电化学老化,严重影响了燃料电池核心部件膜电极的耐久性和稳定性,导致燃料电池寿命大幅度下降.动态负载下燃料电池的寿命较短,距离燃料电池汽车商业化目标寿命仍有较大距离.因此,开发快速有效的膜电极加速老化测试程序,研究膜电极的耐久性,揭示燃料电池失效机理,寻找解决措施,对提高燃料电池使用寿命,推动燃料电池技术商业化,实现国民经济可持续发展具有重大意义.本文通过对比研究膜电极老化测试,从催化材料、质子交换膜以及启停控制策略应用等方面,分析电极、质子交换膜等关键材料的衰减物化机理,从材料科学领域深入探讨提升关键材料耐久性的方法及机理.为燃料电池的各部件制备与设计完善评价体系,推进燃料电池商用化发展.     

燃料电池聚合物电解质膜的研究进展

本文根据聚合物电解质膜燃料电池操作温度、使用的电解质和燃料的不同,将其分为高温质子交换膜燃料电池、低温质子换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和阴离子交换膜燃料电池,综述了它们所用电解质膜的最新进展.第一部分简要介绍了这4种燃料电池的优点和不足.第二部分首先介绍了Nafion膜的结构模型,并对平行柱状纳米水通道模型在介观尺度上进行了修正;接着分别对应用于不同燃料电池的改性膜的改性思路作了分析;最后讨论了用于不同燃料电池的新型质子交换膜的研究,同时列举了性能突出的改性膜和新型质子交换膜.第三部分介绍了阴离子交换膜的研究现状.第四部分对未来聚合物电解质膜的研究作了展望.     

一种新型结构质子交换膜的研究

质子导体的研究近年来受到了广泛的关注,具有质子传导能力的电解质材料可广泛地应用于燃料电池、电解池、电化学反应装置以及传感器等领域[1],特别是作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一的质子交换膜越来越受到人们的重视.Nafion (Du Pont)全氟磺酸膜是目前广泛用于PEMFC中的一种质子导体.     

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。     

车用燃料电池启停工况性能衰减

车用燃料电池(质子交换膜燃料电池)技术经过二十余年的持续研发和不断突破,使得燃料电池汽车性能基本满足了商业化指标,并成为当前备受瞩目的新能源汽车。然而,质子交换膜燃料电池伴随实际车况变化会经历燃料供应、湿度、温度、电流、电压等复杂循环过程,造成燃料电池的关键材料衰减加速,并且车用燃料电池的耐久性问题棘手且涉及面广。本文针对车用燃料电池的启停工况,归纳分析了启停工况下燃料电池的研究过程、衰减机理、实验论证、建模分析,并从燃料电池系统管理角度分析了启停衰减的缓解策略。通过对已有启停工况下质子交换膜燃料电池性能衰减失效的梳理,提出了本文的观点、分析和解释。     

质子交换膜燃料电池零下冷启动研究进展

在零下启动过程中,质子交换膜燃料电池阴极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进行了综述分析,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。     

微生物燃料电池

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先简要介绍了MFCs 的发展简史和基本原理,针对MFCs 产电性能低的现状,分别从产电微生物、电池结构、质子交换膜(PEM)、电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高MFCs 产电性能的研究进展。最后介绍了关于MFCs 的另一些有趣的研究方向：植物MFCs,生物阴极MFCs,以及污水脱氮和有毒废水处理。     

A completely spray-coated membrane electrode assembly

We present a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) manufacturing route, in which a thin layer of polymer electrolyte solution is spray-coated on top of gas diffusion electrodes (GDEs) to work as a proton exchange membrane. Without the need for a pre-made membrane foil, this allows inexpensive, fast, large-scale fabrication of membrane-electrode assemblies (MEAs), with a spray-coater comprising the sole manufacturing device. In this work, a catalyst layer and a membrane layer are consecutively sprayed onto a fibrous gas diffusion layer with applied microporous layer as substrate. A fuel cell is then assembled by stacking anode and cathode half-cells with the membrane layers facing each other. The resultant fuel cell with a low catalyst loading of 0.1 mg Pt/cm² on each anode and cathode side is tested with pure H₂ and O₂ supply at 80 °C cell temperature and 92% relative humidity at atmospheric pressure. The obtained peak power density is 1.29 W/cm² at a current density of 3.25 A/cm². By comparison, a lower peak power density of 0.93 W/cm² at 2.2 A/cm² is found for a Nafion NR211 catalyst coated membrane (CCM) reference, although equally thick membrane layers (approx. 25 μm), and identical catalyst layers and gas diffusion media were used. The superior performance of the fuel cell with spray-coated membrane can be explained by a decreased low frequency (mass transport) resistance, especially at high current densities, as determined by electrochemical impedance spectroscopy.     

基于杂多酸的固体高质子导体*

杂多酸固体高质子导体在燃料电池、传感器和电显色装置等方面具有潜在的应用前景。本文概述了杂多酸的质子导电性,归纳了其质子导电性的一些规律,以表格形式列举了各类杂多酸的电导率。将不同质量分数的杂多酸固载在各类固体基质上,可以对杂多酸质子导电材料改性以便于工业中实际应用。这些杂化材料兼有杂多酸的高质子导电性以及基质的稳定性与机械延展性。本文综述了近几年来新型杂多酸,杂多酸-无机基质复合材料,杂多酸-有机基质复合材料,杂多酸-多元基复合材料的质子电导率、稳定性、结构形态等等方面的研究进展,详细介绍了杂多酸在质子交换膜燃料电池中的应用,并对杂多酸固体高质子导体的应用前景进行了展望。     

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阴极中氧扩散和电化学反应模型研究—I．TFFA模型及其数值计算

将薄膜浸渍聚集体（TFFA）模型用于描述质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极中氧的扩散和反应过程，其中包括氧气在气体扩散层和反应层气体通道中的扩散，氧气在反应层薄膜中的溶解和扩散，氧在反应层浸渍聚休体中的扩散和反应以及电子和离子的传导，并根据PEMFC阴极的结构特点给出TFFA模型的数值解法。     

Water management improvement in PEM fuel cells via addition of PDMS or APTES polymers to the catalyst layer

Water management is one of the obstacles in the development and commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Sufficient humidification of the membrane directly affects the PEM fuel cell performance. Therefore, 2 different hydrophobic polymers, polydimethylsiloxane (PDMS) and (3-Aminopropyl) triethoxysilane (APTES), were tested at different percentages (5, 10, and 20 wt.%) in the catalyst layer. The solution was loaded onto the surface of a 25 BC gas diffusion layer (GDL) via the spraying method. The performance of the obtained fuel cells was compared with the performance of the commercial catalyst. Characterizations of each surface, including different amounts of PDMS and APTES, were performed via scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analyses. Molecular bond characterization was examined via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis and surface hydrophobicity was measured via contact angle measurements. The performance of the fuel cells was evaluated at the PEM fuel cell test station and the 2 hydrophobic polymers were compared. Surfaces containing APTES were found to be more hydrophobic. Fuel cells with PDMS performed better when compared to those with APTES. Fuel cells with 5wt.% APTES with a current density of 321.31 mA/cm ² and power density of 0.191 W/cm ² , and 10wt.% PDMS with a current density of 344.52 mA/cm ² and power density of 0.205 W/cm ² were the best performing fuel cells at 0.6V.     

Current challenges related to the deployment of shape-controlled Pt alloy oxygen reduction reaction nanocatalysts into low Pt-loaded cathode layers of proton exchange membrane fuel cells

The reduction of the amount of platinum used in proton exchange membrane fuel cell cathodes at constant power density helps lower the cell stack cost of fuel cell electric vehicles. Recent screening studies using the thin film rotating disk electrode technique have identified an ever-growing number of Pt-based nanocatalysts with oxygen reduction reaction Pt-mass activities that allow for a substantial projected decrease in the geometric platinum loading at the cathode layer. However, the step from a rotating disk electrode test to a membrane electrode assembly test has proved a formidable task. The deployment of advanced, often shape-controlled dealloyed Pt alloy nanocatalysts in actual cathode layers of proton exchange membrane fuel cells has remained extremely challenging with respect to their actual catalytic activity under hydrogen/oxygen flow, their hydrogen/air performance at high current densities, and their morphological stability under prolonged fuel cell operations. In this review, we discuss some of these challenges, yet also propose possible solutions to understand the challenges and to eventually unfold the full potential of advanced Pt-based alloy oxygen reduction reaction catalysts in fuel cell electrode layers.     

一维金属/半导体异质结纳米材料的制备及性能研究*

一维金属/半导体异质结纳米材料因其新颖的结构、独特的光电特性和在纳电子领域应用的巨大优势和潜力而受到广泛的关注和重视。本文基于国内外最新研究进展及本课题组的研究工作,系统综述了近年来逐步建立起来的一维金属/半导体异质结纳米材料的制备方法及其性能研究。着重介绍了化学气相沉积法、热蒸发沉积法、模板法、自组装法和液相法等几种比较重要的制备方法,并分析了它们的优缺点;详细分析了此类纳米材料库伦阻塞效应、肖特基二极管现象、欧姆接触特性、电致发光特性等性能的特点。文章最后指出液相法能有效获得高质量和技术可用的一维金属/半导体异质结纳米材料,使用该法进行制备和性能研究将成为此类纳米材料的未来发展方向。     

手性自负载催化剂研究新进展

催化剂的负载和回收再利用是提高其使用效率、降低反应成本和减少金属离子对产物污染的一条有效途径。与传统的负载模式不同, 手性自负载催化剂通过含双或多官能团的手性配体与金属通过自组装形成一类有机-无机聚合物,因此无需使用任何载体,即能够有效地实现手性催化剂的回收和再利用。近年来,手性自负载催化剂作为一种新的负载模式,已经成功地应用于一些非均相催化的不对称反应中。本文概述了手性自负载催化剂的在一些不对称催化反应研究中取得的新进展。     

溶胶-凝胶法制备纳米WO3气致变色材料

本文主要阐述了纳米WO₃气致变色材料的溶胶-凝胶制备方法、气致变色机理及其应用的研究新进展,重点评述了溶胶-凝胶法中各种制备条件诸如掺杂、模板剂、溶剂、热处理温度等对这种材料的结构和性能的影响,最后展望了纳米WO₃气致变色材料的研究和应用前景。我们认为,在未来的溶胶-凝胶法制备纳米WO₃气致变色材料领域,如何进行最优化的掺杂设计和选择高效模板剂、如何降低气体检测温度、以及气致变色机理等将是该项研究的重点。