双极界面聚合物膜燃料电池Ⅰ:膜电极构型

双极燃料电池是一类新型的具有酸碱双极反应界面的聚合物膜燃料电池,其潜在的优势在于:(1)在碱性催化层中可利用非贵金属催化剂,降低电池成本;(2)双极反应界面上的水生成/解离反应可调节电池的水传输特性,形成电池的自增湿机制.尽管双极燃料电池理论上具有如此显著的优势,但其研究还处于起步阶段,尚缺乏大量有力的理论和实验依据.通过构建四种不同界面结构的双极膜电极,系统地研究了双极界面对电池性能的影响.结果表明,仅含有水生成界面的双极燃料电池构型最有利于电池输出性能的提升,并且成功利用这一构型验证了双极燃料电池自增湿稳定放电的特性.双极燃料电池的发展将有力的推动便携式自增湿燃料电池的进步.     

碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能

燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置,被认为是构建未来社会可再生能源结构的关键一环。不同于质子交换膜燃料电池(PEMFC),碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)的出现使非贵金属催化剂的使用成为可能,因而受到了日益广泛的关注和研究。APEFC的关键结构是膜电极,主要由聚合物电解质膜和阴阳极(含催化层、气体扩散层)组成,膜电极是电化学反应发生的场所,其优劣直接决定着电池性能的好坏。因此,基于现有的碱性聚合物电解质及催化剂体系,如何构筑更加优化的膜电极结构,使APEFC发挥出更高的电池性能是亟待开展的研究。本文首先通过模板法在碱性聚合物电解质膜的表面构建出有序的锥形阵列,再将具有阵列结构的一侧作为阴极来构筑膜电极,同时,作为对比,制备了由无阵列结构的聚合物电解质膜构筑而成的膜电极,最后对基于两种不同膜电极的APEFC的电化学性能进行了对比研究。实验结果表明,锥形阵列结构可以将APEFC的峰值功率密度由1.04 W·cm-2显著提高到1.48 W·cm-2,这主要归因于在APEFC的阴极侧具有锥形阵列结构的聚合物电解质膜的亲水性的提升和催化剂电化学活性面积的增加。本工作为碱性聚合物电解质燃...     

直接甲醇燃料电池膜电极研究的进展

90年代中期以来,聚合物直接甲醇膜燃料电池(DMFC)研究取得了重要进展,其商业前景日趋明朗,正受到越来越多的关注.本文综述了DMFC膜电极制备工艺和电极结构优化的研究进展,分析了DMFC膜电极存在的问题.     

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。     

直接甲醇燃料电池电催化机理及多孔电极传质过程研究

直接甲醇燃料电池以其独特的优势被业界人士视为本世纪最有可能实现商业化的燃料电池. 因此,众多研究院所和公司展开了深入研究,取得了瞩目的成就. 本文分析了膜电极结构的电催化和多孔电极传质过程的机制,并结合制备工艺、有序多层结构以及电池内部传输过程,讨论了近年来膜电极在直接甲醇燃料电池相关的研究进展.     

聚合物在离子选择电极上的应用

本文概述了聚合物膜离子选择电极的发展、制备、应用等方面的研究情况。分别对固态膜类和液膜类聚合物膜离子选择电极的优缺点和发展前景进行了分析,并讨论了聚合物在膜电极中的作用,以及聚合物的结构对膜电极性能的影响。     

低维纳米材料在质子交换膜燃料电池电催化反应中的应用

在聚合物膜燃料电池中,电催化剂决定了电池的运行寿命及性能。本文按照材料维数的不同,分别介绍了近年来零维、一维和二维材料在聚合物膜燃料电池电极反应中应用的最新研究进展;并对各类聚合物膜燃料电池电催化反应的机理和研究侧重点进行了详细的介绍。     

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。     

高性能高功率密度质子交换膜燃料电池膜电极

膜电极是质子交换膜燃料电池最为重要的核心部件,其性能直接决定着燃料电池的性能。提高膜电极的性能和功率密度,对于推动燃料电池的商业化进程具有十分重要的意义。通常意义上的膜电极包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极气体扩散层和阳极气体扩散层等5个基本单元(常常称之为五合一膜电极),气体扩散层又包括气体扩散材料层和微孔整平层;膜电极的性能取决于材料和制备技术两个方面,制备技术、膜电极的关键组成材料、铂载量都对膜电极的性能和功率密度具有重要影响。近年来,随着催化剂和质子交换膜等关键材料性能的提升,以及制备技术的进步,国内外膜电极的性能得到了大幅度的提升,丰田公司燃料电池的体积功率密度可高达3.2 kW/L。本文将主要从膜电极制备技术的角度(涉及催化剂层和气体扩散层的制备技术等)介绍近年来高性能高功率密度膜电极的研究发展情况,同时介绍国内外在降低膜电极铂载量和开发自增湿膜电极方面的研究进展。     

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.     

低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极研究进展

具有自增湿能力的低温质子交换膜燃料电池膜电极是实现自增湿燃料电池的重要途径,对于燃料电池的商业化具有十分重要的意义,它不仅可以大幅度减小燃料电池系统的体积,提升燃料电池系统的输出功率密度,还可以有效降低燃料电池的制造成本. 目前,低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极的研究主要是集中在构建具有自增湿能力的质子交换膜、自增湿催化层和复合自增湿层三个方面. 本文主要从这三个方面系统介绍近年来国内外低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极方面的研究进展和发展趋势.     

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。     

二氧化碳电催化还原中的电解质效应（英文）

二氧化碳(CO₂)电催化还原反应利用可再生能源将CO₂转化为高值燃料和化学品,是一种新型的碳中和技术。CO₂电催化还原反应在电极/电解质界面上进行,因此除催化剂以外,电解质对提高CO₂电催化还原反应性能同样至关重要。本文深度剖析了CO₂电催化还原反应中的电解质效应,结合近几年的最新研究进展,详细讨论了局部p H、阳离子、阴离子和离子交换膜等电解质组成和性质对电催化活性和产物选择性的影响,阐述了电解质效应的催化作用机制。本文特别强调了电化学原位红外/拉曼等振动光谱在电解质效应机理研究方面的优势以及面向实际应用的膜电极CO₂电解器中阴离子、阳离子、水、液体产物等物质传输对活性、选择性、能量效率及CO₂利用效率等关键催化性能指标的影响。本文最后提出了当前电解质效应研究中存在的挑战,并展望了未来的研究机遇和发展趋势。     

Improvement of the proton exchange membrane fuel cell performances by optimization of the hot pressing process for membrane electrode assembly

The present study deals with PEM fuel cells, namely with the optimization of the hot pressing process for membrane electrode assembly (MEA) fabrication. Designs of experiments (DoE) have been used for evaluating the effect of hot pressing parameters (pressure, temperature, and time) on the MEA electrical performances. Full factorial 2³ DoE showed that the most important parameter is the pressing temperature. Surface response methodology indicated a non-monotonous behavior of the MEA electrical performances with respect to the pressing temperature. The MEA electrical performances increased with the pressing temperature in the temperature range from 100 to 115 °C, and decreased significantly in the temperature range from 115 to 130 °C. This behavior was attributed to drastic changes of the Nafion® 112 membrane properties and membrane/electrode interface over this temperature range. Observations of the MEA cross-section structure by scanning electron microscopy confirmed such hypotheses. Thermo-mechanical properties of Nafion® as determined by dynamic scanning calorimetry allowed estimating the glass transition temperature at ca. T _g?≈?117 °C in the conditions of the present study. The higher H₂/air fuel cell performance of ca. 0.8 W cm^?2 was obtained with the optimized pressing temperature for MEA fabrication of ca. 115 °C close to the T _g temperature of Nafion® 112, whereas for higher temperature the structure of the Nafion® membrane and of the membrane–electrode interface is damaged.     

Impact of metal cations on the electrocatalytic properties of Pt/C nanoparticles at multiple phase interfaces

Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) use carbon-supported nanoparticles based on platinum and its alloys to accelerate the rate of the sluggish oxygen-reduction reaction (ORR). The most common metals alloyed to Pt include Co, Ni and Cu, and are thermodynamically unstable in the PEMFC environment. Their dissolution yields the formation and redistribution of metal cations (M(y+)) within the membrane electrode assembly (MEA). Metal cations can also contaminate the MEA when metallic bipolar plates are used as current collectors. In each case, the electrical performance of the PEMFC severely decreases, an effect that is commonly attributed to the poisoning of the sulfonic acid groups of the perfluorosulfonated membrane (PEM) and the resulting decrease of the proton transport properties. However, the impact of metal cations on the kinetics of electrochemical reactions involving adsorption/desorption and bond-breaking processes remains poorly understood. In this paper, we use model electrodes to highlight the effect of metal cations on Pt/C nanoparticles coated or not with a perfluorosulfonated ionomer for the CO electrooxidation reaction and the oxygen reduction reaction. We show that metal cations negatively impact the ORR kinetics and the mass-transport resistance of molecular oxygen. However, the specific adsorption of sulfonate groups of the Nafion? ionomer locally modifies the double layer structure and increases the tolerance to metal cations, even in the presence of sulphate ions in the electrolyte. The survey is extended by using an ultramicroelectrode with cavity and a solid state cell (SSC) specifically developed for this study.     

铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能

质子交换膜燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,它具有转化效率高、能量密度高、低温启动、易于操作等优点,因而被认为是最具发展前景的新能源利用方式,在电动汽车、便携电源及分散式电站有着广泛应用.但是,目前质子交换膜燃料电池技术的发展面临着巨大挑战,主要问题包括高成本、低功率密度和低寿命.众所周知,质子交换膜燃料电池中的阴极氧还原反应在酸性条件下是一个复杂的四电子过程,动力学速度缓慢,限制了电池的最终性能.目前大量使用的阴极氧还原催化剂是细小的铂或铂合金纳米颗粒负载在碳载体上,其成本占燃料电池总成本的比例最大.制约燃料电池商业化发展的另一个重要问题是电池寿命低,其中氧还原催化剂的稳定性是决定电池寿命的主要因素.在这样的研究背景下,如何降低催化剂中铂的用量、提高催化剂活性和稳定性显得尤为重要,这也是近年来国内外学者研究的热点.在铂基合金催化剂中,通常采用过渡金属元素作为掺杂元素,由于原子半径不匹配(几何效应)以及电子结构不同(电子效应),合金催化剂表现出优于纯铂催化剂的催化性能.近几年,对于铂基合金催化剂的研究已取得重大进展,以合金组成和结构研究为基础,通过精确控制原子结构、调控表面电子状态以及制备工艺,获得了各种特殊形貌的催化剂,大大提高了催化活性.本文深入综述了近年来铂基合金氧还原催化剂制备、形貌和性能,特别关注了催化剂形貌和催化活性之间的关系.值得注意的是,具有有序原子排列的铂合金催化剂不仅在半电池中表现出优异活性,在实际质子交换膜燃料电池中也显示了很好的活性和稳定性.另一方面,碳载体的形貌及微观结构也对提高催化活性和稳定性起到决定性作用,通过化学手段加强金属纳米颗粒与碳载体之间的相互作用也是提高催化剂稳定性的重要途径.尽管铂基氧还原催化剂在近几年取得了重要进展,但在实际商业化过程中还存在诸多挑战,本文在综述进展的基础上,对铂基催化剂的发展提出了展望.首先,对于氧还原反应机理仍需要深入研究,采用更加精确的理论模型模拟氧还原动力学过程,以获得影响催化活性的关键因素.其次,提高催化剂在膜电极中的催化活性和利用率.目前,氧还原催化剂在半电池测试中性能优异,但是实际燃料电池操作条件下其性能远不能达到要求,这与膜电极、催化剂层及扩散层结构相关.因此,基于不同铂基催化剂的特性,合理设计膜电极组件的结构是将催化剂进行实际应用的基础.最后,催化剂的稳定性仍需进一步提高,尽管目前大部分催化剂在实验室半电池研究中表现了很好的稳定性,但在实际燃料电池中的稳定性研究还不足,而且对催化剂在膜电极中性能衰退机理的研究也非常有限.因此,对于铂基氧还原催化剂的研发仍需要国内外科研工作者不懈的努力.     

Improved interfacial adhesion of membrane electrode assemblies using polymer binders and pore-filling membranes in alkaline membrane fuel cells

The development of alkaline membrane fuel cells (AMFCs) will enable the use of non-platinum catalysts and hydrocarbon-based electrolyte membranes. Such catalysts are intrinsically stable and have activities similar to that of platinum in an alkaline environment. A pore-filling membrane has been made from a porous, high-density polyethylene substrate to fabricate durable, AMFC membrane electrode assemblies (MEAs). Because of the low binding ability of the hydrocarbon ionomer in the preparation of AMFC MEAs, polymer binders were added to the catalyst slurries to form a firmly bound interface. A content of 20 wt% polyethylene (PE) binder, the same material as the porous substrate in the pore-filling membrane, exhibits the best attachment of the non-platinum catalyst particles to the pore-filling, hydrocarbon anion-exchange membranes. The addition of a PE binder improves adhesion at the MEA interface and diminished contact resistance. The improved durability of the MEA is confirmed by continuous, constant-voltage operation. Adhesion between the cathode catalyst layer and the pore-filling membrane is also investigated after mild hot-pressing to test the use of decal method in the fabrication of AMFCs. The catalyst layer with the PE binder was completely transferred to the pore-filling membrane at 50 °C and 30 bar?cm^?2, but not for the PTFE binder.     

Recent Progress on Electrode Design for Efficient Electrochemical Valorisation of CO2, O2, and N2

CO₂ reduction, two-electron O₂ reduction, and N₂ reduction are sustainable technologies to valorise common molecules. Their further development requires working electrode design to promote the multistep electrochemical processes from gas reactants to value-added products at the device level. This review proposes critical features of a desirable electrode based on the fundamental electrochemical processes and the development of scalable devices. A detailed discussion is made to approach such a desirable electrode, addressing the recent progress on critical electrode components, assembly strategies, and reaction interface engineering. Further, we highlight the electrode design tailored to reaction properties (e.g., its thermodynamics and kinetics) for performance optimisation. Finally, the opportunities and remaining challenges are presented, providing a framework for rational electrode design to push these gas reduction reactions towards an improved technology readiness level (TRL).     

Study on a novel manufacturing process of membrane electrode assemblies for solid polymer electrolyte water electrolysis

A novel manufacturing process for catalyst coated membrane (CCM) was utilized to fabricate the membrane electrode assemblies (MEA) for solid polymer electrolyte (SPE) water electrolysis. The properties and performance of the modified CCM were analyzed and evaluated by SEM, electrochemistry impedance spectroscopy (EIS) and I–V curves. The characterizations reveal that the sprayed Nafion layers are very effective for increasing the reaction interface between SPE and the electrode catalyst layer. The test experiments show that the SPE water electrolyzer with new MEA structure can lower about 0.1 V of water electrolysis voltage at atmosphere pressure and 2 A cm⁻².