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。     

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。     

Pt/C改性的质子交换膜在燃料电池中的应用

氢氧燃料电池的性能与质子交换膜的性能密切相关.在燃料电池运行过程中,反应生成的水和加湿气体所含水的扩散渗透与膜内质子拖拽共同作用实现膜中水的平衡,影响膜的欧姆电阻,进而影响电池性能.本文通过掺杂Pt/C对质子膜进行改性,并测试了改性膜的交流阻抗、吸水特性等物理性质和单电池性能及高频阻抗,说明由膜中的Pt/C催化剂原位催化渗透到膜中的氢气和氧气反应生成水,改善了电池低湿度运行时膜的含水率,从而降低膜电阻,提升电池性能.     

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。     

Pt基金属间化合物及其在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的应用

质子交换膜燃料电池是一种能够将燃料的化学能直接高效地和环境友好地转化为电能的绿色能源技术。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、启动快速、零排放或者低排放等优点,被认为是后石油时代最为重要的能源替代技术之一。然而目前使用的电催化剂存在铂用量高和稳定性不足等问题。开发高性能低Pt催化剂对于降低质子交换膜燃料电池成本、促进质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用具有十分重要的意义。Pt基金属间化合物是一类具有严格元素化学计量比和规整原子排列结构的合金化合物,其氧还原反应催化活性明显优于相应的Pt基无序合金及纯Pt催化剂,被认为是最具应用前景的低Pt催化剂之一。本文着重从催化机理、制备技术、组成调控、颗粒度调控、形貌调控和晶体结构等几个方面介绍了Pt基金属间化合物催化剂近来的研究进展,以及这类催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的应用研究情况,指出了这类催化剂目前尚存在的不足及挑战,并展望了未来的研究发展思路及方向。     

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.     

中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展

中高温质子交换膜燃料电池作为一种新型能量转换装置,具有环境友好、能量转换效率高、氢气纯度要求低等特点。催化剂作为电化学反应的核心,其性能极大影响着燃料电池的整体工作效率,目前针对中高温燃料电池催化剂的研究主要集中在电化学反应动力学较慢的阴极氧还原催化剂。磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PA-PBI)为常用的高温质子交换膜,由于磷酸与PBI的结合力差,在长时间运行过程中磷酸容易渗透到催化剂层,造成磷酸在铂基催化剂表面的强吸附导致催化剂中毒的问题,并且氧分子在磷酸中溶解度低。基于以上问题,本文综述了铂基催化剂、非铂催化剂和非金属催化剂在中高温质子交换膜燃料电池中的应用现状,重点阐述了表面修饰、合金化、载体效应等策略对催化剂在磷酸电解液中的氧还原反应动力学的影响。最后针对目前中高温质子交换燃料电池催化剂发展方向进行了探讨和展望。     

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.     

铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能（英文）

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.     

质子交换膜燃料电池催化剂的研究方法

质子交换膜燃料电池性能的提高受限于电极上催化剂的电化学活性，而对催化剂的研究有助于人们深入了解其化学状态、电子结构等因素与电化学活性之间的关系。本文详细地介绍了有关质子交换膜燃料电池催化剂等五种研究方法(旋转薄层电极、固态核磁共振、X射线吸收光谱、电化学石英晶体微天平、差分电化学质量光谱)的原理、应用技巧以及在催化剂研究中所揭示的信息和局限性，并对今后的发展进行了展望。     

聚苯胺修饰Pt/C催化剂对质子交换膜燃料电池动态响应的促进作用

将超级电容器材料聚苯胺引入电极催化剂中以缓冲燃料电池负载的变化.以硫酸为掺杂剂,将化学法合成的聚苯胺(PANI)与Pt/C超声分散混合,制成PANI-Pt/C催化剂.PANI-Pt/C的循环伏安测试和作为质子交换膜燃料电池阴极电催化剂的电池性能测试表明,PANI含量为10%时能够提高Pt/C催化剂对氧的还原动力学速度和燃料电池放电性能.电池在不同电流负载下的电压动态响应和对电池脉冲电流的动态响应以及PANI-Pt/C催化剂多电位电势阶跃计时电流测试显示,聚苯胺在催化剂中具有在瞬间电流负载时缓冲电池电压和电池大电流放电时平稳电压的作用.     

The maximum potential a PEM fuel cell cathode experiences due to the formation of air/fuel boundary at the anode

In this short communication, a misconception about the maximum potential a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) cathode experiences due to the formation of fuel/air boundary at the anode during startup/shutdown is clarified. It is shown, conceptually, that the maximum potential experienced by a cathode in PEMFC under such condition is about twice the potential observed when one connects a driving fuel cell to a driven cell (electrolyzer), both of which having the same physical characteristics and operating under the same conditions.

A novel reference electrode for application in alkaline polymer electrolyte membrane fuel cells

An in-situ fuel cell reference electrode (RE) consisting of a Pd-coated Pt wire exhibits stable potentials in alkaline polymer electrolyte membrane fuel cells (APEMFC). Results indicate that the overpotential and impedance of the anode are higher than those of the cathode in the cells tested (even at low currents); this is contrary to that found in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC) and it shows that caution is required when translating prior understating of PEMFC to APEMFC. The working hypothesis is that there is flooding-derived mass transport loss at the anode (where water is electro-generated).     

质子交换膜燃料电池模型研究进展

综述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）数学模型的研究进展，分析PEMFC中膜、催化层、扩散层和流场区域的传递现象和水、热管理的重要性，讨论了模型的维数、复杂性和求解方法。提出了带有时间维数的PEMFC模型研究的实际应用意义。     

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...     

Recent developments in catalyst-related PEM fuel cell durability

Cost and durability remain the two major barriers to the widespread commercialization of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC)-based power systems, especially for the most impactful but challenging fuel cell electric vehicle (FCEV) application. Commercial FCEVs are now on the road; however, their PEMFC systems do not meet the cost targets established by the U.S. Department of Energy, primarily due to the high platinum loading needed on the cathode to achieve the requisite performance and lifetime. While the activities of a number of commercial Pt-based alloy cathode catalysts exceed the beginning-of-life (BOL) targets, these activities, and the overall cathode performance, degrade via a variety of mechanisms described herein. Degradation is mitigated in current FCEVs by utilizing a cathode catalyst with a lower BOL activity (e.g., much lower transition metal alloy content and larger BOL nanoparticle size), necessitating higher catalyst loadings, and through the utilization of system controls that avoid conditions known to exacerbate degradation processes, such as limiting the fuel cell stack voltage range. The design and development of active and robust materials and eliminating the need for vehicle mitigation strategies would greatly simplify the operating system, allowing for greater transient operation, avoiding large hybridization, and curtailing of fuel cell power. Although system mitigation strategies have provided the near-term pathway for FCEV commercialization, material-specific solutions are required to further reduce costs and improve operability and efficiency. Future material developments should focus on stabilization of the electrode structure and minimization of the catalyst particle susceptibility to dissolution caused by oxide formation and reduction over PEMFC cathode-relevant operating potentials plus minimization of support corrosion. Ex situ accelerated stress tests have provided insight into the processes responsible for material and performance degradation and will continue to provide useful information on the relative stability of materials and benchmarks for robust and stable materials-based solutions not requiring system mitigation strategies to achieve adequate lifetime.     

质子交换膜燃料电池的水平衡

水平衡是制约质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能稳定的关键技术之一。本文针对以H2为燃料的PEMFC的水平衡,首先介绍了电池的工作原理及水迁移;通过实验,证明了电池失水、积水对电池性能及寿命的影响,说明了水平衡的重要性;从电池的组成结构及运行参数详细讨论了影响水平衡的主要因素;并对电池水平衡的管理方法作了讨论。     

Insights into the distribution of water in a self-humidifying H2/O2 proton-exchange membrane fuel cell using 1H NMR microscopy

Proton ((1)H) NMR microscopy is used to investigate in-situ the distribution of water throughout a self-humidifying proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC, operating at ambient temperature and pressure on dry H(2)(g) and O(2)(g). The results provide the first experimental images of the in-plane distribution of water within the PEM of a membrane electrode assembly in an operating fuel cell. The effect of gas flow configuration on the distribution of water in the PEM and cathode flow field is investigated, revealing that the counter-flow configurations yield a more uniform distribution of water throughout the PEM. The maximum power output from the PEMFC, while operating under conditions of constant external load, occurs when H(2)O(l) is first visible in the (1)H NMR image of the cathode flow field, and subsequently declines as this H(2)O(l) continues to accumulate. The (1)H NMR microscopy experiments are in qualitative agreement with predictions from several theoretical modeling studies (e.g., Pasaogullari, U.; Wang, C. Y. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A380-A390), suggesting that combined theoretical and experimental approaches will constitute a powerful tool for PEMFC design, diagnosis, and optimization.     

Pt纳米催化剂在质子交换膜燃料电池催化层中的尺寸效应研究

以XC-72碳黑为载体, H2[PtCl6]为前驱体, 采用浸渍还原法并结合后续高温处理, 制备出不同尺寸Pt颗粒(3～8 nm)的Pt/C催化剂. 在基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电化学电解池中, 对实际PEMFC催化层中燃料电池反应的Pt催化剂尺寸效应进行了研究. 结果表明, 在PEMFC催化层环境中, Pt/C纳米催化剂对氢氧化和氧还原反应均有显著的粒度尺寸效应. 随着Pt粒度减小, 氢氧化和氧还原反应的表面积活性均降低.     

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。