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     

燃料电池用高温质子交换膜

与传统质子交换膜燃料电池相比,高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)不仅可以提高催化剂对CO 的耐受能力,还能简化水热管理,提高能量转化效率.高温质子交换膜是实现高温操作的关键部件之一.掺杂无机磷酸的高温质子交换膜因为在高温度(100～200℃)和低相对湿度下具有较高的质子传导率,以及较长使用寿命而成为研究的热点...     

基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的交联共混体系的高温质子交换膜

在可溶性高分子量芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)基体中引入超支化聚对氯甲基苯乙烯(H-VBC), 通过 便捷的溶液共混-浇铸法, 制备了基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的新型交联体系(OPBI/H-VBC-1和OPBI/ H-VBC-2), 并对膜进行季铵盐化处理(OPBI/H-VBC-QA-1和OPBI/H-VBC-QA-2), 实现了复合膜综合性能的提升. 与原始OPBI膜相比, 交联型复合膜表现出优异的尺寸稳定性和“抗塑化”能力. 在85%磷酸中浸泡72 h后, OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的体积膨胀率只有184.2%和152.4%, 而OPBI的体积膨胀率达到336.5%; OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的最大拉伸强度分别达到36.3和21.9 MPa, 比单一OPBI膜的10.9 MPa提高了56%~233%. 研究发现, 季铵盐化的复合膜具有更高的质子传导率（在200 ℃下的质子传导率分别达到151.5和103.4 mS/cm）与磷酸吸收水平比值. 对比研究发现, 所制备的交联型复合膜比已报道大多数高温质子交换膜(HT-PEM)具有更优异的质子传导率与力学强度平衡能力.     

高温质子交换膜燃料电池用聚苯并咪唑/聚乙烯基苄基交联膜的制备与性能研究

为提高聚苯并咪唑（PBI）膜的抗氧化性能,以乙烯苄基氯（PVBC）作为PBI的大分子交联剂,并利用1H-1,2,4-三氮唑取代交联剂中的不稳定端基Cl,制备了交联型高温质子交换膜,考察了交联剂用量对膜的电化学性质的影响. 研究表明,膜中的交联结构有效提高了膜的抗氧化性能,并兼具优异的电导率及力学性能. 采用无增湿H₂和O₂对膜电极性能进行了测试,150 ^oC下电池最大功率密度达到0.82 W•cm^-2.     

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.     

基于磷钨酸功能化纳米纤维的超高质子/钒选择性的聚苯并咪唑膜在全钒液流电池中的应用

Proton exchange membrane (PEM) is a key component of vanadium redox flow battery (VRB), and its proton/vanadium selectivity plays an important role in the performance of a VRB single cell. Commercially available perfluorosulfonic acid (Nafion) membranes have been widely used due to their excellent proton conductivity and favorable chemical resistance. However, the large pore size micelle channels formed by the pendant sulfonic acid groups lead to the excessive penetration of vanadium ions, which seriously affects the coulombic efficiency (CE) of the single cell and accelerates the self-discharge rate of the battery. Additionally, the expensive cost of Nafion is also an important reason to limit its large-scale application. In this paper, the dense and low-cost hydrocarbon polymer polybenzimidazole (PBI) is used as the matrix material of the PEM, which is doped with phosphotungstic acid (PWA) to acquire excellent proton conductivity, and the intrinsic high resistance of PBI for vanadium ions is helpful to obtain high proton/vanadium selectivity. Considering the enormous water solubility of PWA and its easy leaching from membrane, organic polymer nano-Kevlar fibers (NKFs) are utilized as the anchoring agent of PWA, which achieves good anchoring effect and solves the problem of the poor compatibility between inorganic anchoring agent and the polymer matrix. The formation of PWA functionalized NKFs was characterized by scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The anchoring stability of NKFs for PWA was evaluated by UV-Vis spectroscopy. The characterizations including water uptake, swelling ratio, ion exchange capacity, proton conductivity, vanadium ion permeability and ion selectivity were performed to evaluate the basic properties of the membranes. At the same time, the charge-discharge, self-discharge and cycle performance of single cell assembled with the composite membrane and recast Nafion were tested at various current densities from 40 to 100 mA∙cm^-2. Simple tuning for the filling amount of NKFs@PWA gives the composite membrane superior ion selectivity including an optimal value of 3.26 × 10⁵ S∙min∙cm^-3, which is 8.5 times higher than that of recast Nafion (0.34 × 10⁵ S∙min∙cm^-3). As a result, the VRB single cell assembled with the composite membrane exhibits higher CE and significantly lower self-discharge rate compared with recast Nafion. Typically, the CE of the VRB based on PBI-(NKFs@PWA)-22.5% membrane is 97.31% at 100 mA∙cm^-2 while the value of recast Nafion is only 90.28%. The open circuit voltage (V_OC) holding time above 0.8 V of the single cell assembled with the composite membrane is 95 h, which is about 2.4 times as long as that of recast Nafion-based VRB. The utilization of PBI as a separator for VRB can effectively suppress the penetration of vanadium ions, achieve higher proton/vanadium selectivity and superior battery performance as well as reduce the cost of the PEM, which will play an active role in the promotion of VRB applications.     

New Anhydrous Proton Exchange Membrane for Intermediate Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Herein, we study the preparation and characterization of a new kind of proton exchange membrane. In the proton‐conducting membrane of poly(vinylidene fluoride) (PVDF)/poly(ethylene oxide) (PEO)/dodecyl benzenesulfonic acid (DBS‐H), we use PEO as “proton solvent” due to its flexible molecular chain. Moreover, the electronegativity of the O atom on PEO may be used to attract protons under anhydrous conditions. The membranes are thermally stable up to 200 °C with less than 3 % mass loss. At 150 °C, without extra humidification, the proton conductivity of 60 % PVDF/22 % PEO/18 % DBS‐H membrane is approximately 10 ^?3 S cm^?1.     

全Pd催化剂质子交换膜燃料电池

用改良的浸渍法合成了多种不同合金度的碳载PdCu纳米粒子, 考察其对氧还原和氢氧化反应的催化行为, 并择优应用到质子交换膜燃料电池(PEMFC)中. 研究发现, 阳极采用Pd₈₀Cu₂₀/C催化剂, 阴极采用Pd₉₀Cu₁₀/C催化剂组装的单电池在65℃下最大功率密度接近204 mW/cm².     

聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备及钒液流电池性能

将聚苯并咪唑(PBI)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混, 制备了一系列PBI/PVP复合质子交换膜, 研究了不同PVP含量对PBI/PVP复合质子交换膜性能的影响. 研究结果表明, PVP的加入可有效提高PBI/PVP复合质子交换膜的吸水率及硫酸吸附量, 从而提高质子电导率, 与PBI原膜相比, PBI-PVP-5复合质子交换膜的结合酸含量可达2.47 mmol/g, 质子电导率达4.81 mS/cm, 选择性(3.12×10⁵ S·min/cm³)远高于原膜(1.12×10⁵ S·min/cm³). 电流密度为120 mA/cm²时, 电池的电压效率(VE)和能量效率(EE)均较PBI原膜提高了10%, 电池自放电时间长达307 h. PVP的加入为PBI系列钒液流电池隔膜提供了一个提高质子电导率的新思路.     

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。     

新型聚苯并咪唑树脂的微波合成及质子交换膜的性能

采用微波合成法, 调整己二酸和2,6-吡啶二甲酸2种二酸单体的配比, 使其与联苯四胺进行三元共聚, 制备出一系列新型含脂肪链结构的聚苯并咪唑(PBI)类质子交换膜, 并用红外光谱、 热重分析进行了表征, 对膜的吸水率、 溶胀率、 质子传导率、 机械强度及抗氧化性能等进行了测试. 当己二酸与2,6-吡啶二甲酸的摩尔比为3: 2时, 所制备的PBI-C₂膜掺杂磷酸后在160℃下的质子传导率可达30 mS/cm, 拉伸强度在常温下可达77.54 MPa, 断裂伸长率为39.25%, 最大储能模量为9.0623 MPa, 最大损耗模量为8.36 MPa, 玻璃化转变温度为360℃, 芬顿试验192 h后膜的降解率仅为0.21%, 表明PBI-C₂膜在高温质子交换膜燃料电池中具有较好的应用前景.     

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。     

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.     

燃料电池质子交换膜研究进展与展望

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁高效的能量转换装置,具有比功率高、稳定性好、易于启动等优点,是未来可移动动力源的理想候选。成本和寿命是阻碍PEMFC商业化的主要原因,寻找新型材料是解决这两大问题的必然选择,也是近年来质子交换膜研究的热点和重点。本文介绍了几种质子交换膜材料的研究进展,主要包括聚合物型、陶瓷型和有机-无机复合型,讨论了各种膜材料的特点,并对其未来的发展加以展望。     

Carboxyl-functionalized Nanocellulose Reinforced Nanocomposite Proton Exchange Membrane

Nanocellulose(NCC) was prepared through the acid hydrolysis of microcellulose(MCC) and was reacted with maleic anliydride to obtain carboxyl-functionized nanocellulose(MA-NCCs). The presence of .OH and .SO3H on the surface of rod-like MA-NCC was confirmed by Fourier transfonn infrared spectrometry(FTIR). Sulfonated poly(aryl ether ether ketone ketone)(Ph-SPEEKK) was synthesized with bis(4-fluorophenyl-methanone) and 2-phenylhydroquinone as monomer. MA-NCC/Ph-SPEEKK nanocomposite membranes with different MA-NCCs content were prepared, and their properties were characterized. Compared with Ph-SPEEKK, MA-NCC/Ph-SPEEKK nanocomposite membrane showed better mechanical and thermal properties and higher proton conductivity. The proton conductivity of the composite membrane with 4%(mass fraction) MA-NCCs under 80℃ was 0.095 S/cm. And its tensile strength reached 30.3 MPa, which was 21.2% higher than that of Ph-SPEEKK pure polymer membrane.     

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜研究进展

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜(GO/Polymer blend PEM)是一种新型的质子交换膜,广泛应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中,已成为质子交换膜研究的热点之一。氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜具有较高的传导质子率、力学性能、阻醇性能和电池性能。本文综述了氧化石墨烯(GO)处理方法、氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜制备方法,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜的质子传导、阻醇、离子交换容量和电池的性能,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜质子传递机理及阻醇机理。     

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。