用于质子交换膜燃料电池的碳载铂电催化剂

 以甲醛为还原剂，氯铂酸为原料，XC－72碳黑为载体，制备了不同铂含量的碳载铂电催化剂，并用BET，XRD，TEM和循环伏安法对催化剂进行了表征，用质子交换膜燃料电池单电池对催化剂性能进行了评价．结果表明，铂晶粒主要吸附在碳黑的表面和大孔中．当催化剂的铂载量由20％提高到40％时，由于铂颗粒占据部分碳黑表面，使催化剂的孔体积和比表面积都有所减小；当铂载量进一步提高到60％时，由于铂晶体颗粒形成的微孔开始占一定分率，使催化剂的总体积和比表面积的减小幅度下降．铂晶体颗粒大小在2～4nm范围内；随着铂载量的提高，表面铂有部分聚结，铂晶体的粒径增大，催化剂的电化学比表面积减小．铂载量为40％时，燃料电池阴极的性能最好．     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

质子交换膜燃料电池及电池组模型分析

本文对现有质子交换膜燃料电池以及电池组模型进行比较分析,认为数学模型的建立,可以增加对燃料电池及电池组内部的传递现象和反应机理的认识,同时可以预测电池以及电池组的性能,并且对优化电池结构参数具有指导意义.模型分析包括了现阶段质子交换膜燃料电池单电池模型和电池组模型的基本类别,它们是单电池CFD数值模拟模型、单电池以及电池组性能模拟模型、燃料电池组气体分配模型、系统模型和非稳态模型.比较了几种模型的建模方式及不同模型的应用范围和各自的优缺点.     

高活性、低载量的PtCo/C质子交换膜燃料电池催化剂的合成

利用逐步合成的方法,合成了一系列不同量硝酸处理的PtCo/C催化剂.通过燃料电池测试装置对催化剂进行了测试,结果表明PtCo/C催化剂在较低载量情况下,有着很好的性能:在50 kPa背压下,0.9 V下的电流密度达到44 mA·cm-2,0.8 V下的电流密度超过300 mA·cm-2;200 kPa背压下,最高功率密...     

质子交换膜燃料电池有序化膜电极

质子交换膜燃料电池的核心部件--膜电极经历了两代传统制备方法后,已经进入第三代有序化膜电极发展阶段.有序化膜电极包括质子导体有序化膜电极和电子导体有序化膜电极两大类,而电子导体有序化膜电极包括催化剂材料有序化膜电极和催化剂载体材料有序化膜电极.有序化膜电极具有良好的电子、质子、水和气体等多相物质传输通道,从而可以大大降低膜电极中Pt载量、提升燃料电池的发电性能和延长燃料电池寿命.本文整理了近几年有关有序化膜电极的研究报道,梳理了有序化膜电极研究进展,归纳比较了各种有序化膜电极制备方法的优缺点,对未来高性能、低成本和长寿命的膜电极制备技术开发具有指导意义.     

质子交换膜燃料电池Pd修饰Pt/C催化剂的电催化性能

通过对Pt催化剂表面进行Pd修饰提高质子交换膜燃料电池阴极催化剂的氧还原反应(ORR)活性. 采用乙二醇还原法制备了不同比例的Pd修饰Pt/C催化剂. 透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明, 制备的催化剂贵金属颗粒粒径主要分布在1.75～2.50 nm之间, 并均匀地分散在碳载体表面. 循环伏安方法(CV)研究表明Pd修饰Pt/C催化剂的电化学活性面积低于传统的Pt/C催化剂. 但通过旋转圆盘电极(RDE)测试研究发现, 制备的催化剂具有比传统Pt/C催化剂高的ORR活性.     

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。     

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.     

自交联聚乙烯亚胺-聚砜高温质子交换膜研究

为了制备出兼具高电导率和优异力学性能的高温质子交换膜,本工作采用化学自交联的方法将含氮功能基团聚乙烯亚胺（PEI,平均分子量200）接枝到氯甲基化聚砜（CMPSF）高分子链上制备磷酸掺杂型高温质子交换膜的基膜（PEI-PSF）.其中,PEI上的含氮功能基团既作为磷酸吸附位点,使高温质子交换膜获得高的质子传导率,同时又作为交联位点与CMPSF高分子链上的苄氯基团发生自交联反应,使聚合物膜具有优良的力学性能.傅里叶变换红外光谱和X-射线光电子能谱测试结果表明,CMPSF高分子链上的苄氯基团与PEI上的含氮功能基团发生完全反应,且随着聚砜氯甲基化程度的增加,膜中引入的PEI含量相应增加,进而提升了PEI-PSF膜的磷酸掺杂水平.氯甲基化程度为58%的PEI-PSF膜（PEI-PSF-58）磷酸吸附量达到122 wt%,在180℃无水条件下质子电导率达到3.4×10^-2 S·cm^-1,同时该复合膜拉伸强度达到30 MPa.基于磷酸掺杂的PEI-PSF-58复合膜的高温质子交换膜燃料电池在150℃干气条件下的输出峰功率达到200 mW·cm^-2,并且在78 h的测试时间内展示出了良好的稳定性.     

石墨纳米纤维用作质子交换膜燃料电池催化剂载体

利用质子交换膜燃料电池用过的废旧碳纸,采用球磨法制备了石墨纳米纤维(GNF,BET比表面积为229·3m2/g),并以GNF作为载体制备了Pt/GNF催化剂(电化学比表面积为98m2/g).与传统的以VulcanXC-72碳黑为载体的Pt/XC-72催化剂相比,其电化学比表面积及Pt粒径大小相近.采用恒电位氧化法考察了GNF,XC-72,Pt/GNF和Pt/XC-72的电化学稳定性.结果表明,在相同条件下,XC-72的峰电流增加了60%,而GNF增加了2%;Pt/XC-72的腐蚀电流比Pt/GNF的大40%;恒电位氧化60h后,Pt/XC-72约有84·7%的电化学比表面积损失,Pt/GNF仅损失37·2%.这表明GNF的抗腐蚀性优于XC-72,有希望成为质子交换膜燃料电池抗腐蚀的催化剂载体.     

磷酸掺杂的聚苯并咪唑复合膜在高温质子交换膜燃料电池中的应用

磷酸掺杂的聚苯并咪唑复合膜在高温质子交换膜燃料电池中的应用     

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.     

预制铂纳米颗粒对质子交换膜燃料电池用铂纳米线阴极的结构影响

铂纳米线（Pt NWs）由于其独特的结构特点,比商业Pt/C具有更高的氧还原反应（ORR）比活性。在本工作中,我们将预先制备好的铂纳米颗粒（Pt NPs）引入到碳基体中,用于诱导生长Pt NWs,获得了均匀分布Pt NWs的阴极。通过改变Pt NP载量（0~0.015 mg·cm^-2）和Pt NP来源（不同Pt含量的Pt/C）研究了所制备阴极的结构和性能。用扫描电镜对阴极表面进行了表征,并用透射电镜和X射线衍射分析了Pt NW的形貌和晶体结构。在单电池中分别进行了极化曲线和循环伏安曲线测试。当Pt NP来源为40% Pt/C且其载量为0.005 mg·cm^-2时,制备的Pt NW阴极具有最佳的单电池性能和最大的电化学表面积（ECSA）。最后,提出了预制Pt NP影响Pt NWs分布的可能机制。     

质子交换膜燃料电池用膜材料的性能表征

质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键组件之一,其性能的好坏在很大程度上决定了PEMFC的性能。本文对PEMFC膜材料的性能表征进行了综述,讨论了膜材料的孔隙率、密度、粘度、磺化率、稳定性、选择透过性及导电性等性能的表征。     

车用燃料电池耐久性研究

经过世界范围内近十年的持续研发,车用燃料电池在能量效率、体积与质量功率密度、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,燃料电池的耐久性仍没达到商业化目标,且耐久性问题涉及面广、挑战大,成为当前燃料电池汽车产业化的主要棘手问题,构成了车用燃料电池在车辆技术方面产业化的最后障碍。车用燃料电池的耐久性已经引起了世界各国研究人员的广泛关注,本文归纳分析了车用燃料电池催化剂及其载体、质子交换膜及电极离子导体、气体扩散层、金属双极板等关键材料及部件的性能衰减机制,以及梳理了应对性能衰减的新材料、新技术与系统控制策略等耐久性最新研究进展,最后对车用燃料电池失效机制及其缓解研究提出了新的方向,以期对认识和提升燃料电池耐久性具有指导和借鉴意义。     

自增湿阴极开放式PEMFC的温度调控

温度对自增湿阴极开放式质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能有着重要的影响. 依据自制的常压自增湿型PEMFC及温度控制设备搭建测试平台,测试了燃料电池在不同工作温度下的输出特性曲线-伏安曲线和功率输出曲线. 通过拟合得到了电极过程动力学参数,分析了工作温度影响电池性能的主要原因.