碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池（APEMFC）因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题. 作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料. 为此,大量研究被开展和报道. 本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展：包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等. 尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEMFC)因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题.作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料.为此,大量研究被开展和报道.本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展:包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等.尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.     

碱性阴离子交换聚合物膜研究进展

碱性燃料电池(AFCs)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置,因其高效、环保等优点,得到了科学界与工业界的广泛关注。阴离子交换聚合物膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组成部分,要求其具备优异的电导率、良好的化学稳定性及力学强度。本文主要从聚合物主链及阳离子官能团的结构与性能之间的关系及调控方式方面,综述了碱性阴离子交换膜的研究进展。     

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...     

碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能

燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置,被认为是构建未来社会可再生能源结构的关键一环。不同于质子交换膜燃料电池(PEMFC),碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)的出现使非贵金属催化剂的使用成为可能,因而受到了日益广泛的关注和研究。APEFC的关键结构是膜电极,主要由聚合物电解质膜和阴阳极(含催化层、气体扩散层)组成,膜电极是电化学反应发生的场所,其优劣直接决定着电池性能的好坏。因此,基于现有的碱性聚合物电解质及催化剂体系,如何构筑更加优化的膜电极结构,使APEFC发挥出更高的电池性能是亟待开展的研究。本文首先通过模板法在碱性聚合物电解质膜的表面构建出有序的锥形阵列,再将具有阵列结构的一侧作为阴极来构筑膜电极,同时,作为对比,制备了由无阵列结构的聚合物电解质膜构筑而成的膜电极,最后对基于两种不同膜电极的APEFC的电化学性能进行了对比研究。实验结果表明,锥形阵列结构可以将APEFC的峰值功率密度由1.04 W·cm-2显著提高到1.48 W·cm-2,这主要归因于在APEFC的阴极侧具有锥形阵列结构的聚合物电解质膜的亲水性的提升和催化剂电化学活性面积的增加。本工作为碱性聚合物电解质燃...     

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.     

Fe-N-C 类催化剂在碱性燃料电池中的研究进展

随着阴离子交换膜的出现、发展和应用,碱性燃料电池的优势日趋明显,针对碱性燃料电池的研究也更广泛而深刻. 在碱性燃料电池中,除了其固有的对催化剂的高包容性和动力学优越性,阴离子交换膜让阴离子定向迁移,从而实现了很好的水相管理,降低了电池中“水涝”的几率,也提供了更广阔的燃料选择空间. 氧还原反应是碱性燃料电池中的重要部分,且其反应动力学相较于氢氧化反应缓慢. 因此,选择并研制合适的阴极氧还原反应催化剂,是提高碱性燃料电池性能和促进燃料电池规模化使用的关键. Fe-N-C类催化剂因其在碱性条件下接近甚至优于 Pt 基催化剂的性能,被视为最有潜力替代 Pt 的非贵金属催化剂. 本文从近 5 年来 Fe-N-C 类催化剂的合成方法、催化活性位点和氧还原反应机理以及在燃料电池中的应用三方面进行了综述.      

碱性燃料电池用PFA基季铵盐类阴离子交换膜的稳定性

采用辐射接枝法将氯甲基苯乙烯（VBC）接枝到四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物（PFA）基底上并对其进行季铵化和碱性化改性制备了阴离子交换膜（PFA-g-PVBC）.对制得的膜采用薄膜拉伸试验、热重（TG）、热水和热碱处理等方法考察了其机械性能、热稳定性和化学稳定性.结果表明：PFA-g-PVBC阴离子交换膜具有良好的机械性能,该膜在60℃去离子水中和室温下碱性溶液中可稳定存在,但在60℃碱性溶液中因Hofmann降解反应和直接亲核取代反应而导致其电导率下降.将该膜应用于常温＂自呼吸＂式碱性直接乙醇燃料电池中,30mAcm-2恒电流放电情况下,电池可一次性连续放电10h以上,累计放电时间长达30h.     

碱性纳米复合聚合物电解质研究

为了提高聚氧化乙烯(PEO)/KOH 基碱性聚合物电解质的电导率, 制电解质膜时分别将纳米 TiO2、纳米β-Al2O3和纳米 SiO2添加到 PEO/KOH 体系中, 制备出了兼顾电学和力学性能的碱性纳米复合聚合物电解质. 交流阻抗测试显示, 其室温(28 ℃)电导率可达到 10-3 S?cm-1数量级. 循环伏安研究表明, 制得的电解质膜在不锈钢惰性电极上的电化学稳定窗口约为 1.6 V. 分别研究了聚合物电解质膜中 KOH, H2O, 无机纳米粉末的含量以及温度对体系电导率的影响.     

PVA-CMC-KOH-H2O碱性聚合物电解质研究

由聚乙烯醇(PVA)与羧甲基纤维素钠(CMC)制备PVA-CMC-KOH-H2O碱性聚合物电解质膜,应用交流阻抗、循环伏安、差热分析和红外光谱等实验方法表征、研究其性能.结果表明,该碱性聚合物电解质的室温电导率可达到10-2S.cm-1数量级,在不锈钢惰性电极上的电化学稳定窗口约为1.6 V.另外,还研究了聚合物电解质膜中KOH、H2O和CMC对体系电导率的影响以及PVA-CMC-KOH-H2O碱性聚合物电解质在N i/MH电池中的初步应用.初步结果表明,由PVA-CMC-KOH-H2O聚合物电解质组装的N i/MH电池,其低倍率放电性能较好.     

PVA碱性凝胶聚合物电解质薄膜电化学稳定性研究

应用溶解—铸膜法制备聚乙烯醇(polyvinylalcohol,PVA)碱性凝胶聚合物电解质(gelpolymerelectrolyte,GPE)薄膜.交流阻抗(EIS)测试表明,随着KOH含量的增加,该薄膜的离子电导率表现为先增大而后减小的变化趋势,当KOH含量为42%(bymass,下同)时,电导率达到最大值,为2.01×10-3S/cm.X射线衍射(XRD)结果表明,当膜中KOH含量大于20%时,晶态的PVA就逐渐转变为非晶态结构.又当KOH含量增加到一定值后,由于体系中未电离的非晶态KOH量的增多而导致离子电导率下降.循环伏安(CV)和拉曼光谱(Raman)结果表明,该薄膜具有很好的电化学稳定性,可应用于碱性二次电池.     

季铵盐阴离子交换膜研究进展

近年来,阴离子交换膜燃料电池的发展受到了广泛关注.开发具有碱稳定性能优异,电导率高的阴离子交换膜(AEMs)材料成为了研究的热点.AEMs主要由聚合物骨架和阳离子基团组成,这两者是影响膜碱稳定性和电导率的重要因素.本文综述了季铵盐类阴离子交换膜聚合物骨架结构中含有醚氧键和不含醚氧键的烷基季铵盐AEMs、N-螺环季铵盐A...     

K2FeO4-Zn碱性固态电解质电池电化学性能研究

应用溶液铸膜法制备出了交联聚乙烯醇(PVA)/聚丙烯酸(PAA)-KOH-H2O复合碱性固态电解质膜, 其厚度为150 µm左右, SEM测试结果表明其表面呈均相的非晶态结构, 交流阻抗(EIS)测试表明室温离子电导率可达3.5×10－2 S• cm－1, 循环伏安(CV)测试表明其电化学稳定窗口为3.5 V左右, 将其应用于一次碱性K2FeO4-Zn电池, 通过研究固态电解质膜在不同浓度KOH碱液中预处理和其在不同放电倍率下的放电性能, 结果表明, 9 mol•L－1为最佳固态电解质膜预处理碱液浓度, 0.4 C为最佳放电倍率, 1.0 V以上容量最高可达222.6 mAh•g－1, 并表现出良好的放电平台特性.     

Preparation of alkaline anion exchange membranes based on functional poly(ether-imide) polymers for potential fuel cell applications

A novel poly(ether-imide)-based alkaline anion exchange membrane with no free base has been prepared and characterized for its ionic conductivity in water, which is a critical metric of its applicability in a liquid-fed direct methanol fuel cell. The poly(ether-imide)-based membranes were prepared by chloromethylation, quaternization and alkalization of commercial poly(ether-imide) and the derivatives were characterized by NMR. The chemical and thermal stabilities were investigated by measuring changes of ionic conductivities when the membranes were placed in various alkaline concentrations and temperatures for 24 h. The membranes were stable at all concentrations of KOH at room temperature, but not at elevated temperatures. The membranes were stable in 1.0 M KOH solution up to 80 °C without losing membrane integrity. The measured conductivity of the formed membrane ranged from 2.28 to 3.51 × 10⁻³ S/cm at room temperature. This preliminary study indicates that functionalized poly(ether-imide) has suitable conductivity suggesting that it can be used as an alkaline anion exchange membrane in fuel cell applications.     

Alkaline Zn-air and Al-air cells based on novel solid PVA/PAA polymer electrolyte membranes

High ionic conducting solid polymer electrolyte membranes (SPEM) had been successfully prepared from poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(acrylic acid) (PAA). The solution casting method yielded highly hydrophilic membranes with uniform structure that were suitable for electrochemical applications. The room temperature ionic conductivity of the alkaline PVA/PAA polymer electrolyte membranes was in the range of 0.142–0.301 S cm⁻¹ depending on the composition. The cyclic voltammetry analysis was carried out using Zn|SPEM|Zn and Al|SPEM|Al cells. The analysis results revealed the excellent electrochemical stability of these newly developed alkaline solid PVA/PAA polymer electrolyte membranes. Metal-air fuel cells were also prepared from the alkaline solid PVA/PAA polymer electrolyte membranes. The electrochemical cell performance was evaluated based on Zn-air and Al-air cells at C/10 and C/5 discharge rates. The experimental results exhibited high percent of utilization for metal powders at room temperature. It was up to 90% for Zn-air cell when assembled with PVA:PAA = 10:7.5 polymer electrolyte membrane and discharged at C/10 rate. The power density could be as high as 50 mW cm⁻² at room temperature. However, the cell percent utilization was reduced to 73% with the same composition electrolyte membrane when C/5 discharge rate was tested.     

Sterically-encumbered ionenes as hydroxide ion-conducting polymer membranes

Hydrogen/oxygen-based electrochemical energy conversion cells that operate under highly alkaline conditions deploy inexpensive electrocatalysts compared to their acidic counterparts. Solid polymer electrolyte (SPE) cells offer a reduced system footprint, and an additional reduction in capital cost. Alkaline membrane, SPE systems are attractive because they offer a synergistic combination of the two cost savings. Durable, hydroxide-conducting SPEs operating in highly caustic media are lacking because organic molecules and polymers, particularly their cationic derivatives, are inherently unstable to caustic conditions. This review focuses on an emerging class of alkaline SPE's, Ionenes: polymers that incorporate cations directly into the polymer backbone. The purpose of this opinion piece is to highlight the fact that fixed cationic charges may be incorporated into the polymeric backbone to provide membranes with high conductivity, mechanical strength, and stability, and to dispel the widely-held view that distancing a cationic group from the polymer backbone is a necessary requirement.