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。     

车用燃料电池启停工况性能衰减

车用燃料电池(质子交换膜燃料电池)技术经过二十余年的持续研发和不断突破,使得燃料电池汽车性能基本满足了商业化指标,并成为当前备受瞩目的新能源汽车。然而,质子交换膜燃料电池伴随实际车况变化会经历燃料供应、湿度、温度、电流、电压等复杂循环过程,造成燃料电池的关键材料衰减加速,并且车用燃料电池的耐久性问题棘手且涉及面广。本文针对车用燃料电池的启停工况,归纳分析了启停工况下燃料电池的研究过程、衰减机理、实验论证、建模分析,并从燃料电池系统管理角度分析了启停衰减的缓解策略。通过对已有启停工况下质子交换膜燃料电池性能衰减失效的梳理,提出了本文的观点、分析和解释。     

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。     

燃料电池膜电极衰减机制及其抗老化策略北大核心CSCD

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量效率和高能量密度、低温快速启动、结构紧凑、无污染、低噪声等优点,在氢能汽车、固定式电站、水下潜艇和通讯电源等方面具有广泛的应用前景.目前影响燃料电池商用化的主要问题是成本和寿命,特别是在工况下急剧的启停、干湿、温度等变化,以及随之带来的机械及电化学老化,严重影响了燃料电池核心部件膜电极的耐久性和稳定性,导致燃料电池寿命大幅度下降.动态负载下燃料电池的寿命较短,距离燃料电池汽车商业化目标寿命仍有较大距离.因此,开发快速有效的膜电极加速老化测试程序,研究膜电极的耐久性,揭示燃料电池失效机理,寻找解决措施,对提高燃料电池使用寿命,推动燃料电池技术商业化,实现国民经济可持续发展具有重大意义.本文通过对比研究膜电极老化测试,从催化材料、质子交换膜以及启停控制策略应用等方面,分析电极、质子交换膜等关键材料的衰减物化机理,从材料科学领域深入探讨提升关键材料耐久性的方法及机理.为燃料电池的各部件制备与设计完善评价体系,推进燃料电池商用化发展.     

庆祝衣宝廉院士八十华诞专辑序言北大核心CSCD

尊敬的衣宝廉院士:喜闻先生八十华诞,中国化学会电化学委员会特向您表示最诚挚的祝贺!您自上世纪60年代起致力于燃料电池研究,至今五十余年,是我国现代燃料电池研究、应用及产业化的主要奠基人.90年代带队完成了我国首台千瓦级质子交换膜燃料电池,并在燃料电池催化过程、复合质子交换膜等方面砥砺创新开拓,获得多项国际级的科研成果,奠定了我国质子交换膜燃料电池车用动力系统走向应用的基石;最早创立了燃料电池产业     

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.     

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.     

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.     

车用燃料电池技术的现状与研究热点

燃料电池汽车作为清洁能源汽车的一部分近十几年来得到很大的发展。然而燃料电池的寿命、成本仍然是制约其商业化的瓶颈,其中材料是根本问题。本文对组成燃料电池的三种关键材料电催化剂、质子交换膜、双极板的发展现状进行了综述,并对研究热点进行了剖析。针对燃料电池在车载工况存在的问题,如电催化剂衰减、膜降解、双极板腐蚀等,基于已有试验结果和理论分析指出了可能的解决方案、对策与发展方向。     

化学与生物改性合成质子交换膜*

新型质子交换膜的研究主要集中在Nafion膜的化学或物理改性、化学合成材料的更新以及新型的生物材料燃料电池用质子交换膜的研发。本文对燃料电池用质子交换膜近3年的研究进展做了综述,并对PEMFC质子交换膜的发展前景进行了探讨与预测。     

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。     

钯基氧还原和乙醇氧化反应电催化剂:关于结构和机理研究的一些近期见解

质子交换膜燃料电池和直接乙醇燃料电池已成为可持续性清洁能源研究的一个聚焦点.在燃料电池中,氧还原反应和乙醇氧化反应是两个重要的反应,其相关高活性、高稳定性并且廉价的催化剂的研发仍然存在很多问题,极大地制约了燃料电池的大规模商业化应用.其中的挑战主要来自于对纳米催化剂结构和反应机理的有限认识.由于实验表征理论计算的结合,...     

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。     

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。     

新颖无机质子传导材料的研究进展

质子传导在燃料电池、气体传感及电致显色等领域有重要的研究前景.尤其是在燃料电池领域,由于其具有低污染、高效率、操作简单和寿命长等优点而被广泛应用.本文介绍了质子传导在质子交换膜燃料电池中的重要作用及工作原理,分析了质子交换膜的质子传导机理,并简要分析总结了近年来关于无机及其复合质子导体材料的研究进展.     

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。     

微孔聚四氟乙烯增强复合质子交换膜研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有能量转化率高、环保等特点而受到广泛关注。作为质子交换膜燃料电池核心组件之一的关键材料质子交换膜(PEM)成为燃料电池研究的热点。聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜由于具有高的化学和尺寸稳定性,被用来作为复合质子交换膜的增强基底。本文对当前微孔PTFE增强复合质子交换膜的研究进展进行了综述,介绍了微孔PTFE与全氟类离子树脂、部分含氟类离子树脂和非氟类离子树脂等的复合情况,着重说明各种复合增强的类型和方式,并比较了复合改性前后各种膜的物性特点,最后展望了微孔PTFE复合增强膜的未来研究趋势。     

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材料

质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池,最有希望作为未来电动汽车的发动机,近二十年取得了长足的发展.目前限制质子交换膜燃料电池进入商业化的最主要原因是成本和寿命两大问题,寻找和开发新型材料成为解决这两大问题、推进商业化进程的必然选择,也是质子交换膜燃料电池近些年来的研究重点和热点.本文对构成质子交换膜燃料电池的...     

庆祝衣宝廉院士八十华诞专辑序言

尊敬的衣宝廉院士： 喜闻先生八十华诞,中国化学会电化学委员会特向您表示最诚挚的祝贺！您自上世纪60 年代起致力于燃料电池研究,至今五十余年,是我国现代燃料电池研究、应用及产业化的主要奠基人. 90 年代带队完成了我国首台千瓦级质子交换膜燃料电池,并在燃料电池催化过程、复合质子交换膜等方面砥砺创新开拓,获得多项国际级的科研成果,奠定了我国质子交换膜燃料电池车用动力系统走向应用的基石;最早创立了燃料电池产业化的高技术公司——新源动力;近年来指导城市客车与轿车用燃料电池系统研发并获得多方面突破;研制的燃料电池发电机已成功应用于北京奥运会和上海世博会运行的燃料电池电动客车与轿车,并在上汽大通V80 上实现了商业化. 作为我国电化学界工程成就卓著的科学家,您对中国电化学的贡献永彪史册！ 您不仅勤于耕耘,硕果累累,而且热衷于中国电化学学科的发展. 不仅把自己从事电化学科研的经验总结成著作,还尽可能地参加电化学的各项活动,积极推动电化学各个方面的进步,从争取国家立项论证到电化学界的各种学术会议,您都给予最大程度的支持. 为此,我们以中国化学会电化学委员会的名义,并代表全国电化学同行,对您表示衷心的感谢和崇高的敬意！作为中国工程院院士,您虽然早已功成名就,但却淡泊名利,不忘初衷,依然治学不辍,诲人不倦,成果层出不穷,依然为燃料电池的未来不停地奔波……正可谓“踏遍青山人未老,风光这边独好”. 在此,仅祝您福如东海无疆水,寿比南山不老松,身体康健,万事如意！