聚合物燃料电池离子交换膜新进展

聚合物离子交换膜是聚合物电解质燃料电池的关键部件之一,根据聚合物携带反离子种类,可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）和碱性阴离子交换膜燃料电池（APEFC）。本文着重阐述近年来研究热点：高温低湿质子交换膜（HTPEM）和聚合物碱性阴离子交换膜（APE）的研究进展,指出燃料电池中聚合物离子交换膜（HTPEM和APE）面...     

超高温(200-250 ℃)聚合物电解质膜燃料电池的机遇与挑战

低温质子交换膜燃料电池的商业化受到高纯度氢气制取、储存、运输及加注的制约。将燃料电池工作温度提高到200-250 ℃可显著提高电极动力学,提高对一氧化碳等杂质气体的耐受性,降低氢气制取成本,简化水和热管理,为燃料电池提供更多燃料选择,使得高温质子交换膜燃料电池有望实现原位甲醇重整制氢系统与燃料电池系统的无温差耦合,同时较高的运行温度为直接甲醇燃料电池和非贵金属催化剂替代铂基催化剂提供了有利条件。但超高温（200-250 ℃）聚合物电解质膜燃料电池的发展依然面临着艰巨的挑战,为促进超高温聚合物电解质膜燃料电池的发展,本文将系统总结近年的相关进展,探讨超高温聚合物电解质膜燃料电池面临的机遇与挑战。     

燃料电池用聚合物质子交换膜专利技术分析

聚合物质子交换膜是燃料电池的一个重要组成部分,也是目前研究的热点技术。本文对燃料电池用聚合物质子交换膜领域的专利申请状况进行了分析,从全氟型磺化聚合物质子交换膜、部分含氟型磺化聚合物质子交换膜和非含氟型磺化聚合物质子交换膜等3个方面出发,归纳出该技术领域的技术发展路线,并对该技术领域的发展做出展望。     

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。     

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。     

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.     

直接乙醇燃料电池中乙醇电氧化过程的热力学和动力学考虑

从热力学和动力学角度讨论了质子交换膜燃料电池中的乙醇电氧化过程.理论计算得出直接乙醇燃料电池比乙醇重整质子交换膜燃料电池具有较高的有效能效率.从热力学分析可知,温度低于100℃时乙醇完全氧化的最大转化率仅为14%.从动力学角度考虑,PtSn/C催化剂对乙醇电氧化具有较高的催化活性,但仍不能使乙醇发生完全电氧化.热力学和动力学分析表明,操作温度是影响直接乙醇燃料电池性能的关键因素,它对开发新型催化剂和电解质膜材料提出了新的要求.     

直接甲醇燃料电池中的膜性能比较

制备了磺化聚醚醚酮(SPEEK)和磺化酚酞型聚醚砜(SPES-C)两种质子交换膜,考察了其质子导电和阻醇性能.实验发现,两种新型质子交换膜具有一定的化学稳定性和质子电导率,尤其在高温下两种新膜的质子电导率与Nafion膜接近.两种新膜的甲醇透过系数要比Nafion膜的低1～2个数量级.分别以两种新型膜和Nafion115膜为电解质制备了直接甲醇燃料电池膜电极,讨论了膜材料的性能对直接甲醇燃料电池性能的影响.结果表明,膜材料的阻醇性越好,电池的开路电压越高;膜的电导率越高,在较高电流密度区域内电池的性能越好.     

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。     

Advances in the high performance polymer electrolyte membranes for fuel cells

This critical review tersely and concisely reviews the recent development of the polymer electrolyte membranes and the relationship between their properties and affecting factors like operation temperature. In the first section, the advantages and shortcomings of the corresponding polymer electrolyte membrane fuel cells are analyzed. Then, the limitations of Nafion membranes and their alternatives to large-scale commercial applications are discussed. Secondly, the concepts and approaches of the alternative proton exchange membranes for low temperature and high temperature fuel cells are described. The highlights of the current scientific achievements are given for various aspects of approaches. Thirdly, the progress of anion exchange membranes is presented. Finally, the perspectives of future trends on polymer electrolyte membranes for different applications are commented on (400 references).     

侧链磺化聚芳醚质子交换膜的研究进展

燃料电池是以氢气、甲醇等作为燃料的一种新型能量转化装置,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）凭借其能量功率高、启动速度快和使用寿命长等优点已经在移动电源、潜艇和电动汽车等领域得到了广泛应用。质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）对PEMFC的性能影响最大,高效的PEMFC需要PEM具有高的质子电导率、良好的热稳定性和机械性能、低燃料渗透率以及优异的物理化学稳定性等。目前市面上多数使用的均是具有优异质子电导率的Nafion系列膜,但其存在制备困难、成本昂贵、质子电导率严重依赖湿度等缺点,在一定程度上限制了其发展。为了让PEM有更多的选择,科学家一直专注于使用新材料替代Nafion膜。近年来,科学家们模拟Nafion结构,通过合成各种侧链含磺酸基团的聚芳醚结构,使得亲水基团磺酸基和疏水基团之间形成微相分离结构,从而获得了一系列具有优异综合性能的PEM。本文将重点对侧链烷基磺化型、侧链磺化嵌段型、侧链局部密集磺化型、侧链磺化交联型和侧链磺化复合型这几种常见策略的合成方法及性能进行了综述,最后展望了侧链磺化聚芳醚在PEM领域的优势及发展前景。     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEMFC)因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题.作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料.为此,大量研究被开展和报道.本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展:包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等.尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池（APEMFC）因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题. 作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料. 为此,大量研究被开展和报道. 本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展：包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等. 尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池（APEMFC）因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题. 作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料. 为此,大量研究被开展和报道. 本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展：包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等. 尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

BLEND MEMBRANES FOR DIRECT METHANOL AND PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS

Sulphonated polystyrene ethylene butylene polystyrene(SPSEBS)prepared with 35%sulphonation was found to be highly elastic and enlarged up to 300%-400%of its initial length.It absorbed over 110%of water by weight.A major drawback of this membrane is its poor mechanical properties which are not adequate for use as polymer electrolytes in fuel cells.To overcome this,SPSEBS was blended with poly(vinylidene fluoride)(PVDF),a hydrophobic polymer.The blend membranes showed better mechanical properties than the base polymer.The effect of PVDF content on water uptake,ion exchange capacity and proton conductivity of the blend membranes was investigated.This paper presents the results of recent studies applied to develop an optimized in-house membrane electrode assembly(MEA)preparation technique combining catalyst ink spraying and assembly hot pressing.Easy steps were chosen in this preparation technique in order to simplify the method,aiming at cost reduction.The open circuit voltage for the cell with SPSEBS is 0.980 V which is higher compared to that of the cell with Nafion 117(0.790 V).From this study,it is concluded that a polymer electrolyte membrane suitable for proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)and direct methanol fuel cell(DMFC)application can be obtained by blending SPSEBS and PVDF in appropriate proportions.The methanol permeability and selectivity showed a strong influence on DMFC performance.     

Tuned polymer electrolyte membranes based on aromatic polyethers for fuel cell applications

Poly(arylene ether sulfone)-based ionomers containing sulfofluorenyl groups have been synthesized for applications to polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). In order to achieve high proton conductivity and chemical, mechanical, and dimensional stability, the molecular structure of the ionomers has been optimized. Tough, flexible, and transparent membranes were obtained from a series of modified ionomers containing methyl groups with the ion-exchange capacity (IEC) ranging from 1.32 to 3.26 meq/g. Isopropylidene tetramethylbiphenylene moieties were more effective than the methyl-substituted fluorenyl groups in giving a high-IEC ionomer membrane with substantial stability to hydrolysis and oxidation. Dimensional stability was significantly improved for the methyl-substituted ionomer membranes compared to that of the non-methylated ones. This new ionomer membrane showed comparable proton conductivity to that of the perfluorinated ionomer membrane (Nafion 112) under a wide range of conditions (80-120 degrees C and 20-93% relative humidity (RH)). The highest proton conductivity of 0.3 S/cm was obtained at 80 degrees C and 93% RH. Although there is a decline of proton conductivity with time, after 10 000 h the proton conductivities were still at acceptable levels for fuel cell operation. The membranes retained their strength, flexibility, and high molecular weight after 10 000 h. Microscopic analyses revealed well-connected ionic clusters for the high-IEC membrane. A fuel cell operated using the polyether ionomer membrane showed better performance than that of Nafion at a low humidity of 20% RH and high temperature of 90 degrees C. Unlike the other hydrocarbon ionomers, the present membrane showed a lower resistance than expected from its conductivity, indicating superior water-holding capability at high temperature and low humidity.     

含杂萘联苯结构聚合物膜的直接甲醇燃料电池性能

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键组成部分. 通过磺化制备了磺化杂萘联苯聚醚酮(SPPEK)、磺化杂萘联苯聚醚砜(SPPES)和磺化杂萘联苯聚醚砜酮(SPPESK)三种含杂萘联苯结构的新质子交换膜, 测试了其热稳定性、质子导电性和甲醇透过性能. SPPESK的热分解温度比相近离子交换容量(IEC)的SPPEK和SPPES约低100 ℃, 三种膜均具有良好的导电和阻醇性能; 分别以三种膜为电解质组装DMFC考察了其性能, DMFC的开路电压随膜的阻醇性的提高而增大, 三种膜的开路电压均高于Nafion115膜, 但在较高电流密度的区域三种新膜的性能均比Nafion115膜差.