直接甲醇燃料电池中质子交换膜的研究进展

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键部件之一. 本文系统地介绍了近三年来DMFC中质子交换膜研究的最新进展.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。本文介绍了全氟磺酸膜的优缺点,对其进行改进的方法以及新型质子交换膜的发展情况,重点讨论了各类质子交换膜的制备、结构、性质以及它们在质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)的应用,最后提出质子交换膜的发展趋势。     

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。     

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，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。Nafion全氟磺酸膜具有优异的化学稳定性以及在较低温度条件下高的质子电导率，然而其高昂的价格、差的高温性能以及用于直接甲醇燃料电池（DMFC）中时的高甲醇渗透率阻碍了DMFC商业化发展。     

选择性电催化剂提升使用高浓度甲醇为燃料的DMFCs操作性能

正直接甲醇燃料电池(DMFC)是将甲醇氧化反应的化学能直接转化为电能的一种发电装置,其工作原理非常简单,主要由阴极、阳极、质子交换膜及双极板等组成。工作时,甲醇在阳极上被催化氧化为CO_2和H_2O,同时产生6个电子和6个质子,其中质子经质子交换膜由阳极到达阴极,在催化剂作     

直接甲醇燃料电池用磺化聚醚醚酮膜初探

应用电化学方法研究了SPEEK膜的甲醇渗透性能.SPEEK膜具有比Nafion115膜低的甲醇渗透.以其作质子交换膜电解质组装的直接甲醇燃料电池(DMFCs)开路电压高于Nafion115膜组装的DMFC开路电压,但电池的放电性能尚待改进.本研究可为SPEEK应用于直接甲醇燃料电池提供一定的依据.     

磷钨酸/磺化聚醚醚酮质子导电复合膜

直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuelcell,DMFC)作为各种用途的可移动动力源具有高效、清洁和燃料储运方便等优点,成为20世纪90年代以来研究与开发的热点。目前,这种电池的研究难点主要集中在催化剂不稳定和质子交换膜透醇上,DMFC膜不但要可传递质子和绝缘电子,还应具有     

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜研究进展

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜(GO/Polymer blend PEM)是一种新型的质子交换膜,广泛应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中,已成为质子交换膜研究的热点之一。氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜具有较高的传导质子率、力学性能、阻醇性能和电池性能。本文综述了氧化石墨烯(GO)处理方法、氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜制备方法,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜的质子传导、阻醇、离子交换容量和电池的性能,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜质子传递机理及阻醇机理。     

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.     

直接甲醇燃料电池关键材料与技术

作为绿色能源,直接甲醇燃料电池(DMFC)发展潜力无限,有着独特优势,且已有商业化萌芽.本文以DMFC中关键组件膜电极(MEA)为基础,主要介绍了制备高催化性能的电催化剂、高阻醇性能的质子交换膜(PEM)和高性能的MEA工艺,阐述了高效多层次活化、MEA性能再生等研究概念以及CO2分电流的测试技术,还对催化剂成核机理、...     

Non-Fluorinated Polymer Composite Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Applications – A Review

The critical component of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system is the proton exchange membrane (PEM). Perfluorosulfonic acid membranes such as Nafion are currently used for PEMFCs in industry, despite suffering from reduced proton conductivity due to dehydration at higher temperatures. However, operating at temperatures below 100 °C leads to cathode flooding, catalyst poisoning by CO, and complex system design with higher cost. Research has concentrated on the membrane material and on preparation methods to achieve high proton conductivity, thermal, mechanical and chemical stability, low fuel crossover and lower cost at high temperatures. Non-fluorinated polymers are a promising alternative. However, improving the efficiency at higher temperatures has necessitated modifications and the inclusion of inorganic materials in a polymer matrix to form a composite membrane can be an approach to reach the target performance, while still reducing costs. This review focuses on recent research in composite PEMs based on non-fluorinated polymers. Various inorganic fillers incorporated in the PEM structure are reviewed in terms of their properties and the effect on PEM fuel cell performance. The most reliable polymers and fillers with potential for high temperature proton exchange membranes (HTPEMs) are also discussed.     

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.     

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.     

磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺复合质子交换膜的制备与性能研究

利用溶液浇铸法制备了一系列双磺化型磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺(SPAES/SPI)复合质子交换膜.扫描电子显微镜(SEM)结果显示复合膜不存在明显的相分离,表明二者具有很好的相容性.由于SPI的引入,复合膜在甲醇中稳定性较纯SPAES具有大幅的提高,比Nafion112低得多的甲醇吸收率表明了这些复合膜具有比后者更低的甲醇透过率.复合膜显示了与单组分膜相类似的高温分解稳定性,磺酸基团的分解温度达到了290℃以上.复合膜显示出远高于纯SPAES膜的尺寸稳定性能,在130℃高温中200h处理后,所有的复合膜均保持了高的机械性能,而此时纯SPAES膜已经溶解于水中.而且由于两种磺化聚合物间的复合,复合膜维持了较高的IEC水平,显示了较高的质子导电率,在80%相对湿度时的质子导电率与Nafion112相近,而在水中的质子导电率均高于Nafion112.     

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     

Radiation-grafted proton exchange membranes based on co-grafting from binary monomer mixtures into poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) film

In this study, proton exchange membranes (PEMs) based on a poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) film were synthesized through the graft copolymerization of styrene and VTMS (vinyltrimethoxysilane), or styrene and TMSPM (3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate) binary monomer systems using a simultaneous irradiation method. The prepared membranes with the similar degrees of grafting were investigated by measuring ion exchange capacity, proton conductivity, water uptake, chemical stability, and dimensional stability. The results indicate that the silane-crosslinked proton exchange membrane (PEM) has not only lower water uptake and dimensional change but also high proton conductivity at low humidity condition compared to non-crosslinked poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene)-g-poly(styrene sulfonic acid) (ETFE-g-PSSA). Also, the chemical stability of silane-crosslinked fuel cell membranes was more improved than that of non-crosslinked fuel cell membrane.     

基于膦酸基的高温质子交换膜的研究进展

提高质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的工作温度,不但可以提高电催化剂的活性以及电催化剂对原料气中CO等杂质气体的耐受能力,少用甚至不用Pt 等贵金属作电催化剂,还可以简化PEMFCs的水热管理系统,提高PEMFCs的综合能量转化效率. 实现高温PEMFCs的核心是开发能够适用于高温PEMFCs的高温质子交换膜(HT-PEM),是PEMFCs的研究热点. 在众多HT-PEM候选材料中,基于膦酸基的质子交换膜材料是最具前途的候选材料之一,是制备HT-PEM的主要研究方向. 本文综述了基于膦酸基的HT-PEM的研究进展,讨论了膦酸基参与的质子传导机理,比较了纯聚合物膦酸膜、膦酸基接枝改性膜、酸-碱两性膜、掺杂型复合膜的电导率、物理化学稳定性、机械性能等. 最后,展望了基于膦酸基的HT-PEM的发展趋势.     

Fabrication and optimization of proton conductive polybenzimidazole electrospun nanofiber membranes

Phosphoric acid (PA)–doped polybenzimidazole (PBI) proton exchange membranes have received attention because of their good mechanical properties, moderate gas permeability, and superior proton conductivity under high temperature operation. Among PBI‐based film membranes, nanofibrous membranes withstand to higher strain because of strongly oriented polymer chains while exhibiting higher specific surface area with increased number of proton‐conducting sites. In this study, PBI electrospun nanofibers were produced and doped with PA to operate as high temperature proton exchange membrane, while changes in proton conductivity and morphologies were monitored. Proton conductive PBI nanofiber membranes by using the process parameters of 15 kV and 100 μL/h at 15 wt% PBI/dimethylacetamide polymer concentration were prepared by varying PA doping time as 24, 48, 72, and 96 hours. The morphological changes associated with PA doping addressed that acid doping significantly caused swelling and 2‐fold increase in mean fiber diameter. Tensile strength of the membranes is found to be increased by doping level, whereas the strain at break (15%) decreased because of the brittle nature of H‐bond network. 72 hour doped PBI membranes demonstrated highest proton conductivity whereas the decrease on conductivity for 96‐hour doped PBI membranes, which could be attributed to the morphological changes due to H‐bond network and acid leaking, was noted. Overall, the results suggested that of 72‐hour doped PBI membranes with proton conductivity of 123 mS/cm could be a potential candidate for proton exchange membrane fuel cell.     

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.