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。     

PEMFC阴极中氧扩散和电化学反应模型研究Ⅱ. TFFA模型参数对电极性能的影响

运用薄膜浸渍聚集体（TFFA）模型，考察了质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极伏安曲线受阴极结构参数变化的影响程度。计算结果表明：阴极反应层的孔隙率和厚度、反应层中浸渍聚集体体积分数、半径和涂覆的薄膜厚度、Nafion电解质离子传导率以及气体扩散层的平均孔径对电极性能有较大的影响。相比之下，反应层中气体通道半径、气体扩散层孔隙率以及反应层中碳相传导率的变化对电极性能影响不大。     

硅材料在微型燃料电池中的应用*

微型燃料电池被认为可作为便携式电子设备的下一代电源而越来越受到关注。传统的石墨、金属等材料用于微型燃料电池时产生了不少问题,如石墨材料微加工性能差,金属易腐蚀、密度较大等不利于应用于便携式设备。硅材料因为其低的气体透过率、高的导热系数和适于微加工等特性在微型质子交换膜燃料电池中得到了越来越多地应用。本文对硅材料在微型燃料电池的气体扩散层、质子交换膜构造中的应用以及硅材料作为基底制作微型燃料电池技术的进展进行了综述,并对硅材料在微型燃料电池领域应用的技术特点及前景做了分析与讨论。     

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。     

不同EW值的sPTFS/PTFE复合膜性能研究

将两种不同EW值的聚α,β,β＿三氟苯乙烯(sPTFS)树脂浸入到多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜的孔中,制成sPTFS/PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池(PEMFC).并对该复合膜的吸水率,电导率,机械强度及其装配的电池性能进行了测试.与其它均质膜相比,复合膜明显降低了吸水率,同时也降低了电导率,增加了机械强度.在电池温度为80℃,H2/O2压力为0.2/0.2MPa条件下,两种复合膜装配电池的性能优于Nofion 115膜.低EW值的复合膜电池性能优于高EW值的电池性能,但电池稳定性相对较差.     

高性能高功率密度质子交换膜燃料电池膜电极

膜电极是质子交换膜燃料电池最为重要的核心部件,其性能直接决定着燃料电池的性能。提高膜电极的性能和功率密度,对于推动燃料电池的商业化进程具有十分重要的意义。通常意义上的膜电极包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极气体扩散层和阳极气体扩散层等5个基本单元(常常称之为五合一膜电极),气体扩散层又包括气体扩散材料层和微孔整平层;膜电极的性能取决于材料和制备技术两个方面,制备技术、膜电极的关键组成材料、铂载量都对膜电极的性能和功率密度具有重要影响。近年来,随着催化剂和质子交换膜等关键材料性能的提升,以及制备技术的进步,国内外膜电极的性能得到了大幅度的提升,丰田公司燃料电池的体积功率密度可高达3.2 kW/L。本文将主要从膜电极制备技术的角度(涉及催化剂层和气体扩散层的制备技术等)介绍近年来高性能高功率密度膜电极的研究发展情况,同时介绍国内外在降低膜电极铂载量和开发自增湿膜电极方面的研究进展。     

高温质子交换膜燃料电池的复合催化层电极

高温质子交换膜燃料电池具有耐毒化,稳定性好的优势,是具有较强应用前景的一种能源转换装置。 本文制备了具有复合催化层结构的气体扩散电极,用于增强燃料电池阳极的催化性能。 在气体扩散电极中,将偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和聚苯基咪唑聚合物作为催化剂的粘结材料,调节了电极界面的浸润结构。 通过对电极表面形貌和润湿性的表征,发现该种结构的催化层孔隙率和粗糙度更高,双层结构的润湿性差别明显(接触角分别为149°和19°),这有利于形成稳定的三相反应界面。 测试结果表明,该种结构的催化层能够有效提高催化材料的利用效率,燃料电池对氢气燃料的峰值功率密度提高约22%。 与此同时,使用含一氧化碳质量浓度为10000和30000 mg/m³的氢气燃料,电池峰值功率密度能够分别保持82.1%和71.4%,证明该燃料电池对一氧化碳杂质保持了良好的耐毒性。     

质子交换膜燃料电池零下冷启动研究

在零下启动过程中,质子交换膜燃料电池阴极中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内容进行了梳理,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。     

直接甲醇燃料电池中的膜性能比较

制备了磺化聚醚醚酮(SPEEK)和磺化酚酞型聚醚砜(SPES-C)两种质子交换膜,考察了其质子导电和阻醇性能.实验发现,两种新型质子交换膜具有一定的化学稳定性和质子电导率,尤其在高温下两种新膜的质子电导率与Nafion膜接近.两种新膜的甲醇透过系数要比Nafion膜的低1～2个数量级.分别以两种新型膜和Nafion115膜为电解质制备了直接甲醇燃料电池膜电极,讨论了膜材料的性能对直接甲醇燃料电池性能的影响.结果表明,膜材料的阻醇性越好,电池的开路电压越高;膜的电导率越高,在较高电流密度区域内电池的性能越好.     

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。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层的研究进展

气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。本文对气体扩散层的组成、制备方法及参数优化的实验研究现状进行了综述,介绍了现有的气体扩散层性质的各种表征方法,指出了研究中存在的问题,提出了气体扩散层的进一步改进方向。     

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。     

有机溶剂对PEM燃料电池CCM结构和性能的影响

采用直接喷涂法将催化剂涂覆在质子交换膜上形成CCM(catalyst coated membrane),CCM与碳纸扩散层组成膜电极用于质子交换膜燃料电池.制备CCM的混合液由质量分数20%的Pt/C催化剂、质量分数5%的Nafion溶液、有机溶剂和水组成.不同的有机溶剂(乙醇、异丙醇和叔丁醇)、有机溶剂的含量、溶剂的...     

质子交换膜燃料电池的研究

通过测定电压－电流密度曲线等方法研究质子交换膜燃料电池的电极参数。构造了Ｅｃｅｌｌ＝０．７Ｖ，Ｉ＝０．５５Ａ／ｃｍ＾２并能够稳定运行的燃料电池。改进电池的电极结构，研究了各种操作条件如温度，压力，增湿情况，尾气流量等对电池性能的影响。     

考虑催化层中气液态水影响的PEMFC微观模型

在考虑气、液两相水影响的条件下基于微观格点催化层模型对聚合物膜燃料电池(PEMFC)性能进行了模拟. 通过氧浓度分布和反应速率分布的比较, 说明了同时考虑催化层中气、液两相水影响的必要性. 模拟分析了液态水体积分数、氧气浓度及氧还原反应速率等在阴极催化层中的分布情况和影响因素. 考察了不同程度‘水淹’情况下的电池性能以及催化层孔隙率对水传递和电池性能的影响. 结果显示, 催化层中‘水淹’程度对电池性能有显著影响. 催化层中较大的孔隙率便于其中水的排出, 从而有利于提高电池性能.     

Scaling up Studies on PEMFC Using a Modified Serpentine Flow Field Incorporating Porous Sponge Inserts to Observe Water Molecules

Flooding of the cathode flow channel is a major hindrance in achieving maximum performance from Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) during the scaling up process. Water accumulated between the interface region of Gas Diffusion Layer (GDL) and rib of the cathode flow field can be removed by the use of Porous Sponge Inserts (PSI) on the ribs. In the present work, the experimental investigations are carried out on PEMFC for the various reaction areas, namely 25, 50 and 100 cm². Stoichiometry value of 2 is maintained for all experiments to avoid variations in power density obtained due to differences in fuel utilization. The experiments include two flow fields, namely Serpentine Flow Field (SFF) and Modified Serpentine with Staggered provisions of 4 mm PSI (4 mm × 2 mm × 2 mm) Flow Field (MSSFF). The peak power densities obtained on MSSFF are 0.420 W/cm², 0.298 W/cm² and 0.232 W/cm² compared to SFF which yields 0.242 W/cm², 0.213 W/cm² and 0.171 W/cm² for reaction areas of 25, 50 and 100 cm² respectively. Further, the reliability of experimental results is verified for SFF and MSSFF on 25 cm² PEMFC by using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The use of 4 mm PSI is found to improve the performance of PEMFC through the better water management.     

Nanostructured PtVFe catalysts: Electrocatalytic performance in proton exchange membrane fuel cells

This paper reports new findings of an investigation of the electrocatalytic performance of nanostructured PtVFe catalysts in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). The membrane electrode assembly was prepared using nano-engineered PtVFe nanoparticles with controlled composition and size supported on carbon as the cathode electrocatalysts. The results reveal that the PtVFe/C catalysts exhibited excellent fuel cell performance, better than that using the commercial Pt/C catalyst. This finding provides the first example demonstrating the viability of the PEMFC application of the nanostructured trimetallic catalysts.     

PEMFC膜电极组件(MEA)制备方法的评述

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件.本文在简述MEA结构的基础上,根据MEA制备过程中催化层支撑体不同,将目前已有的多种MEA制备方法分为两类制备模式:以GDL为支撑体和以PEM为支撑体的制备模式.文中对这些制备方法的特点进行了详细评述,对MEA制备方法的发展趋势进行了展望,认为以PEM为支撑体的制备模式是今后MEA制备的主要发展方向.     

On the role of the microporous layer in PEMFC operation

The condition of liquid water breakthrough at the cathode of polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) is studied experimentally and data on corresponding water saturation and capillary pressure are provided for gas diffusion layers (GDL) with and without a microporous layer (MPL). The data demonstrate that the GDL saturation at water breakthrough is drastically reduced from ca. 25% to ca. 5% in the presence of MPL. This observation is consistent with considerations of invasion percolation in finite-size lattices and suggests an explanation for the role of MPL in improving PEMFC performance at high current densities.