燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。本文介绍了全氟磺酸膜的优缺点,对其进行改进的方法以及新型质子交换膜的发展情况,重点讨论了各类质子交换膜的制备、结构、性质以及它们在质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)的应用,最后提出质子交换膜的发展趋势。     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜燃料电池 (PEMFC)以质子交换膜 (PEM )作为电解质和隔膜 ,其性能强烈地依靠PEM的性质 .本文分析了PEMFC对PEM的要求 ,对全氟化、部分氟化和非氟化的PEM进行了分类介绍 ,着重讨论了膜的结构、制备、性质以及它们在PEMFC中的应用     

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.     

质子交换膜燃料电池Nafion/PTFE复合膜的研究

在聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜内浸入Nafion树脂,制成Nafion/PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池(PEMFC).该复合膜的Nafion含量在50%左右,在干态和湿态时的拉伸强度及水化/脱水过程中,其尺寸稳定性比Nafion均有所提高.在80 ℃,H2/O2压力为0.2/0.2 MPa条件下,用25 μm厚复合膜组装的电池性能优于Nafion117膜组装电池的性能.测量了复合膜的O2渗透率和含水量并与Nafion膜的性能作了比较.     

燃料电池用填孔型质子交换膜

填孔型质子交换膜是一种将电解质填充到多孔的基底膜中形成的新型质子交换膜。与传统的全氟磺酸膜相比,填孔型质子交换膜具有不溶胀、甲醇渗透率低、质子传导率高、价格低廉以及材料选择范围广等优点。本文介绍了分别以聚合物多孔膜,有机/无机多孔膜和无机多孔膜为基底的三种填孔型质子交换膜的研究现状,并对质子交换膜的发展方向和趋势进行了预测。     

制备方法对PtMo/C催化剂上CO电催化氧化性能的影响

用化学还原法、胶体法和Adams法制备了PtMo/C电催化剂, 对其物理化学性质及其在CO电氧化反应中的催化性能进行了对比研究. TEM和XRD测试结果表明, 胶体法制备的催化剂颗粒在载体炭上均匀分布, 颗粒粒径约5 nm；由化学还原法制备的颗粒尺寸较大, 而Adams法制备的颗粒尺寸达数十纳米, 并有严重的团聚现象. CO消除伏安法测试结果表明, 三种制备方法中胶体法制备的PtMo/C催化剂具有最高的电化学表面积和电催化活性. 与常用的Pt/C催化剂相比, PtMo/C催化剂中Pt上弱吸附态CO的电氧化均得到了促进, 而强吸附态CO则不受影响. 这些结果表明PtMo颗粒的尺寸分布和在载体上的分散状况是影响PtMo/C催化剂电催化性能的主要因素. 胶体法制备的PtMo/C与常用的PtRu/C相比, 电化学表面积虽然较低, 但在低电势下CO的起始氧化电势只有0.15 V, 而且在0.15～0.5０ V之间发生电氧化的CO达到其总量的1/3.     

燃料电池用跨温区质子交换膜材料研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种电化学能量转换器件,能将燃料中的化学能转换为电能,具有高效、清洁、寿命长等优点,可应用于动力电池、固定式和便携式电源等领域。质子交换膜(PEM)是其中的关键部件,主要用于隔离阴阳两极和传递质子等。但当前质子交换膜燃料电池的发展面临着成本高、寿命不足等挑战。本文结合近年的研究热点,从质子传输机制出发将质子交换膜燃料电池分为磺酸功能化PEM和磷酸掺杂型PEM两大类,从主链结构的差异以及改性方法等方面综述近年来的研究进展,详细介绍了材料的化学结构、膜材料性能、电化学性能等,并针对现存的一些问题和不足对质子交换膜燃料电池今后的发展方向进行了展望。     

燃料电池用聚合物质子交换膜的研究进展

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,具有隔绝阴阳极、提供质子传递通道和阻止燃料渗透的作用. 商业化应用的全氟磺酸PEM存在燃料渗透严重、高温条件下导电性差和成本高的问题,开发性能优良的聚合物PEM显得很有必要. 本文讨论了近年来聚合物PEM的研究进展,分别从聚合物的主链、支链和交联结构角度介绍了分子结构对薄膜相分离、质子导电性、稳定性和电池性能等性能的影响,并讨论了聚合物分子结构设计方面存在的问题,最后对燃料电池用聚合物PEM在未来的发展方向进行了展望.     

质子交换膜燃料电池Nafion／PTFE复合膜的研究

在聚四氯乙烯（PTFE）多孔膜内浸入Nasfion树脂，制成Nasfion／PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池（PEMFC），该复合膜的Nasfion含量在50％左右，在干态和湿态时的拉伸强度及水化／脱水过程中，其尺寸稳定性比Nasfion均有所提高，在80℃，H2／O2压力为0．2／0．2MPa条件下，用25μm厚复合膜组装的电池性能优于Nasfion117膜组装电池的性能，测量了复合膜的O2渗透率和含水量并与Nasfion膜的性能作了比较。     

Pt纳米催化剂在质子交换膜燃料电池催化层中的尺寸效应研究

以XC-72碳黑为载体, H2[PtCl6]为前驱体, 采用浸渍还原法并结合后续高温处理, 制备出不同尺寸Pt颗粒(3～8 nm)的Pt/C催化剂. 在基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电化学电解池中, 对实际PEMFC催化层中燃料电池反应的Pt催化剂尺寸效应进行了研究. 结果表明, 在PEMFC催化层环境中, Pt/C纳米催化剂对氢氧化和氧还原反应均有显著的粒度尺寸效应. 随着Pt粒度减小, 氢氧化和氧还原反应的表面积活性均降低.     

Degradation Investigation of Electrocatalyst in Proton Exchange Membrane Fuel Cell at a High Energy Efficiency

The development of high efficient stacks is critical for the wide spread application of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) in transportation and stationary power plant. Currently, the favorable operation conditions of PEMFCs are with single cell voltage between 0.65 and 0.7 V, corresponding to energy efficiency lower than 57%. For the long term, PEMFCs need to be operated at higher voltage to increase the energy efficiency and thus promote the fuel economy for transportation and stationary applications. Herein, PEMFC single cell was investigated to demonstrate its capability to working with voltage and energy efficiency higher than 0.8 V and 65%, respectively. It was demonstrated that the PEMFC encountered a significant performance degradation after the 64 h operation. The cell voltage declined by more than 13% at the current density of 1000 mA cm⁻², due to the electrode de-activation. The high operation potential of the cathode leads to the corrosion of carbon support and then causes the detachment of Pt nanoparticles, resulting in significant Pt agglomeration. The catalytic surface area of cathode Pt is thus reduced for oxygen reduction and the cell performance decreased. Therefore, electrochemically stable Pt catalyst is highly desirable for efficient PEMFCs operated under cell voltage higher than 0.8 V.     

质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟

质子交换膜燃料电池的商业化应用迫切要求降低其Pt载量. 本文通过Pt/C氧还原电极的动力学模型计算,研究了Pt/C电极中的氧分布、生成电流以及满足实际应用的最小Pt载量. 结果表明：燃料电池Pt/C电极,阴极产生严重浓差极化的催化层厚度为40mm;功率密度达到1.4 W•cm^-2（2.1 A•cm^-2@0.67 V）的电池性能需要3mm左右的Pt/C阴极催化层,阴极Pt载量为0.122 mg•cm^-2,即可使膜电极的阴极铂用量低于0.087 g•kW^-1.     

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...     

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。     

Pt/C改性的质子交换膜在燃料电池中的应用

氢氧燃料电池的性能与质子交换膜的性能密切相关. 在燃料电池运行过程中,反应生成的水和加湿气体所含水的扩散渗透与膜内质子拖拽共同作用实现膜中水的平衡,影响膜的欧姆电阻,进而影响电池性能. 本文通过掺杂Pt/C对质子膜进行改性,并测试了改性膜的交流阻抗、吸水特性等物理性质和单电池性能及高频阻抗,说明由膜中的Pt/C催化剂原位催化渗透到膜中的氢气和氧气反应生成水,改善了电池低湿度运行时膜的含水率,从而降低膜电阻,提升电池性能.     

微型氢气/空气自呼吸式质子交换膜燃料电池

数码相机、手提电脑和移动电话等各种新型的电子产品对电池的能量要求越来越高．例如,配备最新的Li离子电池的数码相机只能连续工作30min,手提电脑只运行3h．显然传统电池的发展已越来越不能满足便携式电子设备的用电需求．微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)由于具有高比能量、无需充电和无自放电等优点,在便携式电子设备中具有广阔的应用前景．然而,用传统技术制作μPEMFC不能适应PEMFC微型化要求．因此基于微机电系统(MEMS)技术的微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)已成为国际上的研究热点．2000年,Kelley等基于MEMS技术制作了μPEMFC,随后又在30℃,用加湿氢气作燃料,压缩空气为氧化剂(流速为0．2L／min),电池峰值功率约为120mW／cm^2等条件下进一步研究了μPEMFC。     

SO2气体对质子交换膜燃料电池阴极性能的影响

将5×10-8~3.2×10-6(空气中的体积含量)的SO2通入质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池阴极, 研究了SO2对PEMFC性能的影响. 实验得到的电压-时间(V-t)曲线和极化(V-I)曲线表明, 空气中SO2含量达到5×10-7时, 将对PEMFC的性能产生显著的和不可逆的影响, 且SO2浓度越大电池性能的下降幅度越大. 对SO2影响前后的电化学交流阻抗谱(EIS)的解析表明, 电池电荷传递阻抗(Rct)的变化可逆, 而阴极的表面状态发生了不完全可逆的变化. 循环伏安(CV)实验数据进一步证明, SO2毒化后阴极的活性电化学表面积(EAS)缩小.     

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.