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。     

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。     

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.     

有序化膜电极研究进展

燃料电池的性能方面在近年来有很大提高,但要实现商业化其成本和Pt用量需要进一步的降低. 大量的文献工作证明了有序化膜电极有助于提高电极中催化剂的利用率、降低Pt的用量以及增加反应的三相界面,特别是3M公司制备的纳米薄膜电极（NSTFs）是一种高活性,高稳定性的薄膜状催化层,从而电极稳定性也大幅提高. 此外也有不少工作使用导电性好的碳纳米管阵列,以及稳定性高的金属氧化物阵列等作为这种3D结构催化层中催化剂的有序载体,研究进一步提高Pt基催化剂的活性,降低Pt担载量,构效关系等一些基础性的工作. 但是总体上看,现有的有序化膜电极,均需要进一步改进. 本文评述了目前国内外有序化膜电极的研究现状.     

静电纺丝制备质子交换膜燃料电池催化剂层综述

质子交换膜燃料电池催化剂层在成本、耐久性以及性能上的局限是制约燃料电池汽车商业化的瓶颈. 已有文献证明静电纺丝技术制备的纳米纤维催化剂层能提高催化剂利用率、增加三相界面和三相通道以及提高耐久性. 作者结合所在课题组的工作综述了静电纺丝技术制备质子交换膜燃料电池催化剂层的研究进展. 首先,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展历程,并从制备方式和结构两个方面对其进行分类和总结;接下来,从静电纺丝纳米纤维催化剂层的制备、物理特性表征、电化学性能分析及耐久性表征等方面进行了总结;最后,从三相界面、三相通道以及量产适用性的视点比较了三种结构的催化剂层,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展趋势,并梳理了静电纺丝法制备质子交换膜燃料电池催化剂层领域待研的问题.     

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铂电催化剂稳定策略

质子交换膜燃料电池使用寿命低是制约其商业化应用的主要瓶颈. 其中,影响质子交换膜燃料电池寿命的一个主要因素是其所广泛使用的贵金属铂基电催化剂在燃料电池苛刻的运行环境下（如可变电压、强酸性、气液两相流等）容易发生降解,导致电催化剂性能衰减,从而降低了质子交换膜燃料电池的使用寿命. 因此,如何保持铂基电催化剂的电化学稳定性已成为质子交换膜燃料电池稳定性研究中的重大科学问题. 本论文基于作者在该领域的长期研究成果,评述了应用于质子交换膜燃料电池的铂电催化剂稳定性的研究进展. 重点关注了能够大幅改善铂催化剂电化学稳定性的策略,包括聚合物稳定策略、多孔碳封装/限域稳定策略以及载体稳定策略,并对这些铂催化剂稳定策略所面临的挑战进行了展望.     

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。     

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。     

燃料电池用跨温区质子交换膜材料研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种电化学能量转换器件，能将燃料中的化学能转换为电能，具有高效、清洁、寿命长等优点，可应用于动力电池、固定式和便携式电源等领域。质子交换膜(PEM)是其中的关键部件，主要用于隔离阴阳两极和传递质子等。但当前质子交换膜燃料电池的发展面临着成本高、寿命不足等挑战。本文结合近年的研究热点，从质子传输机制出发将质子交换膜燃料电池分为磺酸功能化PEM和磷酸掺杂型PEM两大类，从主链结构的差异以及改性方法等方面综述近年来的研究进展，详细介绍了材料的化学结构、膜材料性能、电化学性能等，并针对现存的一些问题和不足对质子交换膜燃料电池今后的发展方向进行了展望。     

质子交换膜燃料电池材料

质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池,最有希望作为未来电动汽车的发动机,近二十年取得了长足的发展.目前限制质子交换膜燃料电池进入商业化的最主要原因是成本和寿命两大问题,寻找和开发新型材料成为解决这两大问题、推进商业化进程的必然选择,也是质子交换膜燃料电池近些年来的研究重点和热点.本文对构成质子交换膜燃料电池的...     

质子交换膜燃料电池Pt纳米线电催化剂研究现状

质子交换膜燃料电池(PEMFC)能直接将化学能转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好、启动快等优点.其中电催化剂是决定PEMFC性能、寿命及成本的关键材料之一.目前所采用的Pt催化剂成本较高,是阻碍其商业化的主要因素.而Pt纳米线电催化剂的Pt利用率和催化剂活性高,抗CO毒性以及耐久性好.本文综述了Pt纳米线电催化剂的制备及其电化学催化性能的研究现状.     

质子交换膜燃料电池膜电极

介绍了质子交换膜燃料电池膜电极的组成，电极反应，综述了近年来膜电极的研制方法。探讨了该电池电极制作过程的关键问题及技术。     

质子交换膜燃料电池阳极抗CO催化剂的研究进展

质子交换膜燃料电池采用重整气或甲醇为燃料时 ,阳极催化剂的CO中毒问题是影响其性能的主要原因 .使用抗CO催化剂是解决该问题的根本方法 .文中对质子交换膜燃料电池的CO问题进行了简介 ,比较详细地介绍了目前抗CO催化剂研究的发展现状 ,包括各种催化剂的活性、制法及抗CO机理 .Mo、W是很有希望改进阳极催化剂抗CO能力的材料 ,多组分催化剂是比较有希望的方向 .     

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.     

高性能质子交换膜燃料电池

用全氟碘酸质子交换膜作为质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）电解质,简化了水和电解质的管理。本文研究了该燃料电池质子交换膜厚度对电池性能影响;性能最佳的Ｎａｆｉｏｎ１１２膜和低铂载量Ｅ－ＴＥＫ电极组装的ＰＥＭＦＣ,在输出功率高达０．９５Ｗ／ｃｍ＾２;同时考察了电池的能量转换效率、Ｅ－ＴＥＫ电极中铂电催化剂利用率和电池的稳定性。     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置.质子交换膜是PEMFC的核心组成,是一种选择透过性膜,主要起传导质子,分隔氧化剂与还原剂的作用.PEMFC用电催化剂有铂系和非铂系电催化剂,提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向.文中对电极的制备技术和电池的水管理、热管理方法也作了简要介绍.     

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。