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...     

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.     

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。     

微型质子交换膜燃料电池

针对近期微能源领域对微型质子交换膜燃料电池的各种应用,特别是在移动电子产品中的应用研究日益受到重视,本文较为详细地介绍了各国、特别是美国、日本和欧洲等国家开展微型燃料电池研发的特点和趋势,并对微型质子交换膜燃料电池研发过程中存在的困难及商业化前景作了简要分析。     

铂基氧还原电催化剂的结构演变

质子交换膜燃料电池的商业化有望在不久的将来实现更清洁的能源社会.然而,氧还原反应缓慢的反应动力学和苛刻的条件对质子交换膜燃料电池的寿命和成本产生了巨大的挑战.之前大多数铂基催化剂的设计都将重点更多地放在提高活性上.随着质子交换膜燃料电池的商业化,寿命问题也受到了更多的关注.对整个生命周期中结构演变进行深入地了解,有助于...     

车用燃料电池技术的现状与研究热点

燃料电池汽车作为清洁能源汽车的一部分近十几年来得到很大的发展。然而燃料电池的寿命、成本仍然是制约其商业化的瓶颈,其中材料是根本问题。本文对组成燃料电池的三种关键材料电催化剂、质子交换膜、双极板的发展现状进行了综述,并对研究热点进行了剖析。针对燃料电池在车载工况存在的问题,如电催化剂衰减、膜降解、双极板腐蚀等,基于已有试验结果和理论分析指出了可能的解决方案、对策与发展方向。     

氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展

质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换装置,具有环境友好、能量密度高、转化效率高等优点,能够应用于便携能源及燃料电池电动车领域.但燃料电池阴极氧还原需要大量的铂基催化剂,铂价格昂贵、储量有限、易中毒的缺点限制了它的实际应用.因此,开发低成本、高活性、高稳定性的阴极非贵金属催化剂将能够显著推动质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用.其中碳基非贵金属催化剂作为最有可能替代铂的氧还原催化剂,引起了广泛的研究.基于此,本文首先简单介绍了氧还原的机理;其次将碳基非贵金属催化剂分为过渡金属氮碳催化剂和非金属掺杂碳催化剂,对它们在材料制备和活性中心的研究进行了总结和讨论;最后,报道了碳基非贵金属催化剂在质子交换膜燃料电池单电池中的应用进展.     

燃料电池用磷酸掺杂高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有高温下电极反应动力学快、催化剂抗毒化能力强及水热管理简单的优点,是当今燃料电池的重要研究领域之一.作为HT-PEMFC的关键部件,高温质子交换膜直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.磷酸掺杂型高温质子交换膜因其高温低湿或无水条件下较高的质子电导率、良好的化学稳定性及热稳定性等而成为高温质子交换膜材料的研究热点.但是,在实际应用过程中,其面临质子电导率与力学性能难以协同兼顾以及磷酸流失等问题.结合本课题组及国内外的文献报道,本文综述了磷酸掺杂高温质子交换膜的研究现状、关键科学问题及解决策略,展望了HT-PEM的未来发展方向.     

燃料电池非贵金属催化剂的研究进展

目前,燃料电池中普遍使用的是贵金属铂基催化剂,但其价格昂贵,资源日渐匮乏,严重阻碍了燃料电池的商业化应用,所以寻找低成本、高催化活性和高稳定性的非贵金属催化剂一直是人们关注的研究热点之一。本文阐述了燃料电池非贵金属催化剂在金属氧化物、金属络合物、非金属掺杂的碳基催化剂等三个方面的研究进展,并对其未来的发展趋势提出展望。     

非贵金属催化的碱性硫离子燃料电池放电特性

燃料的选择对于燃料电池电极催化剂的选择、燃料电池的成本及其商业化有着至关重要的影响寻求电化学活性好、成本低,并且能够为非贵金属催化剂所催化的燃料是一项有前景的工作.硫离子的电化学活性及其低成本使之成为一个具有吸引力的选择.本文以碱性硫离子作为燃料构建了碱性硫离子燃料电池.在室温条件下,单体电池在以非贵金属为催化剂的条件下获得了12.3 mW· cm-2的功率密度,此时的电流密度达到了42.8 mA·cm-2; 50 h寿命测试显示了碱性硫离子燃料电池良好的稳定性.此外,通过离子色谱分析,在放电产物中检测到了硫代硫酸盐、亚硫酸盐以及硫酸盐.深度氧化使得硫离子具有更高的放电容量.与之前研究的燃料相比,硫离子具有成本低、运输容易、电化学活性高并且能够被非贵金属催化剂催化的优点.     

车用燃料电池系统耐久性研究

燃料电池的耐久性是燃料电池汽车的关键技术问题,车用燃料电池寿命需要达到5000小时以上才能满足汽车应用要求. 作者基于车用燃料电池失效模式的研究,通过优化系统设计和改进系统控制策略等,开发出长寿命的HySYS-30车用燃料电池系统,并采用车用动态工况,对所开发的燃料电池系统进行了6000小时以上的耐久性测试,6000小时的性能衰减率仅为8.1%.     

碳化硅和碳化硼在电催化中的应用

燃料电池是具有广泛应用前景的新能源技术。碳载铂基催化剂(Pt/C)是最常用的燃料电池电极催化剂,不过Pt/C稳定性较差、且成本高昂,严重限制了燃料电池的规模化应用。共价型碳化物碳化硅和碳化硼,由于具有极强的共价键,其物化稳定性优异,成为制备高稳定性、低成本的燃料电池催化剂的重要基础材料。本文总结了相关研究成果,介绍了碳化硅和碳化硼的独特优势,讨论了相关研究的发展方向。     

碳化硅和碳化硼在电催化中的应用

燃料电池是具有广泛应用前景的新能源技术。碳载铂基催化剂（Pt/C）是最常用的燃料电池电极催化剂,不过Pt/C稳定性较差、且成本高昂,严重限制了燃料电池的规模化应用。共价型碳化物碳化硅和碳化硼,由于具有极强的共价键,其物化稳定性优异,成为制备高稳定性、低成本的燃料电池催化剂的重要基础材料。本文总结了相关研究成果,介绍了碳化硅和碳化硼的独特优势,讨论了相关研究的发展方向。     

中温固体氧化物燃料电池优势和挑战的简要评述

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置. 在各种类型的燃料电池中,固体氧化物燃料电池（SOFC）在600~800 ^oC的中温区运行,因此与质子交换膜燃料电池等低温燃料电池相比,它的燃料选择范围更广,具有更广泛的应用前景. 然而,SOFC的商业应用面临着两大挑战：成本和稳定性. 这两种挑战与阳极、阴极、电解质、连接体和密封材料等组件的加工、制备、性能、化学和微结构稳定性密切相关. 电池堆的导管连接材料也需要经过仔细地筛选,以最大限度地降低有毒害的挥发性成分,从而确保电池结构的稳定和完整. 本文旨在简要评述SOFC的材料和组分的研究现状,并提出展望. 本文也对新一代SOFC技术面临的机遇和挑战进行了探讨.     

质子交换膜燃料电池非贵金属型Fe-N-C催化剂的研究进展

质子交换膜燃料电池具有绿色、可持续、效率高等优点,被认为是解决环境与能源问题最有前途的替代方案。燃料电池核心是催化剂,目前应用最成熟的是铂族贵金属,但其高昂的成本制约着燃料电池的快速推广,另外铂族金属对CO、NH₃等气体较为敏感,使得燃料纯度要求苛刻,因此开发高性能低成本的催化剂替代贵金属是推动燃料电池商业化的重要途径。本文总结了近年来燃料电池近年来Fe-N-C催化剂的研究成果,并对Cu、Co等金属掺杂影响进行了系统综述。文中从制备方法、载体、氮源、金属掺杂等对Fe-N-C催化剂氧还原活性及耐久性的影响进行了详细的对比分析,对催化剂的失活机理进行了一定的探讨。最后,本文展望了Fe-N-C催化剂未来的发展方向,提出催化剂活性、耐久性同步提升以及优化燃料电池催化剂层的方案。     

便携式200W至500W质子交换膜燃料电池电源系统研制

本文详细介绍了便携式质子交换膜燃料电池电源系统 4个组成部分的研制 :1 )燃料电池堆 ;2 )空气供应 ;3 )氢源 ;4 )散热与控制并与其他储能化学电源的性能特点作了比较 .实验表明 ,本电源系统性能优异 ,稳定可靠     

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.     

Fuel cell performance assessment for closed-loop renewable energy systems

Fuel cells and electrolysis are promising candidates for future energy production from renewable energy sources. Usually, polymer electrolyte fuel cell systems run on hydrogen and air, while the most of electrolysis systems vent out oxygen as unused by-product. Replacing air with pure oxygen, fuel cell electrochemical performance, durability and system efficiency can be significantly increased with a further overall system simplification and increased reliability. This work, which represents the initial step for pure H_2/O_2 polymer electrolyte fuel cell operation in closed-loop systems, focuses on performance validation of a single cell operating with pure H_2/O_2 under different relative humidity(RH) levels, reactants stoichiometry conditions and temperature. As a result of this study, the most convenient and appropriate operative conditions for a polymer electrolyte fuel cell stack integrated in a closed loop system were selected.     

生物质基碳材料作为氧还原反应催化剂的研究进展

燃料电池作为一种清洁能源有很大的发展前景,其阴极氧还原反应多采用铂基催化剂,但由于贵金属铂的储量稀少、价格昂贵等原因,严重阻碍了燃料电池的商业化进程。寻找高活性、高稳定性的新材料来替代阴极铂基催化剂成为燃料电池大规模商业化亟待解决的关键问题之一。研究表明,以生物质为原料的碳材料有望成为商业铂基氧还原催化剂的一种理想替代品。本文综述了这方面的研究进展,并且展望了未来的发展趋势。