Rare Earth Evoked Subsurface Oxygen Species in Platinum Alloy Catalysts Enable Durable Fuel Cells

Alleviating the degradation issue of Pt based alloy catalysts, thereby simultaneously achieving high mass activity and high durability in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), is highly challenging. Herein, we provide a new paradigm to address this issue via delaying the place exchange between adsorbed oxygen species and surface Pt atoms, thereby inhibiting Pt dissolution, through introducing rare earth bonded subsurface oxygen atoms. We have succeeded in introducing Gd−O dipoles into Pt₃Ni via a high temperature entropy-driven process, with direct spectral evidence attained from both soft and hard X-ray absorption spectroscopies. The higher rated power of 0.93 W cm⁻² and superior current density of 562.2 mA cm⁻² at 0.8 V than DOE target for heavy-duty vehicles in H₂-air mode suggest the great potential of Gd−O−Pt₃Ni towards practical application in heavy-duty transportation. Moreover, the mass activity retention (1.04 A mg_Pt⁻¹) after 40 k cycles accelerated durability tests is even 2.4 times of the initial mass activity goal for DOE 2025 (0.44 A mg_Pt⁻¹), due to the weakened Pt−O_ads bond interaction and the delayed place exchange process, via repulsive forces between surface O atoms and those in the sublayer. This work addresses the critical roadblocks to the widespread adoption of PEMFCs.     

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。     

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.     

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.     

质子交换膜燃料电池用碳纳米管载铂催化剂的研究

采用原位化学还原法制备碳纳米管载铂(Pt/CNTs)和碳粉载铂(Pt/C)催化剂,经透射电镜分析和X射线衍射分析,然后制成电极,组装成质子交换膜燃料电池并进行性能测试。实验结果表明,所制备的两种催化剂,铂粒径均较小(4nm左右),而Pt/CNTs表现出比Pt/C优越的催化性能。     

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。     

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。     

纳米碳纤维载铂作为质子交换膜燃料电池阳极催化剂

采用化学还原法合成了微结构不同的纳米碳纤维(板式、鱼骨式、管式)载铂催化剂(分别记为Pt/p-CNF、Pt/f-CNF、Pt/t-CNF). 通过高分辨透射电镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)等分析技术对催化剂的微观结构进行了表征, 并利用循环伏安(CV)法分析了催化剂的电化学比表面积(ESA). 在此基础上, 制备了膜电极(MEA), 通过单电池测试了催化剂的电催化性能. 结果表明: 铂纳米粒子在不同的纳米碳载体上表现出不同的粒径, 在板式、鱼骨式和管式纳米碳纤维上的铂纳米粒子平均粒径分别为2.4、2.7和2.8 nm. 板式纳米碳纤维载铂催化剂作单电池阳极时表现出良好的电催化性能, 其对应的最高功率密度可达0.569 W·cm^-2, 高于鱼骨式纳米碳纤维载铂催化剂和管式纳米碳纤维载铂催化剂对应的最高功率密度(分别为0.550和0.496 W·cm^-2). 同时, 也制备了碳黑(Pt/XC-72)载铂催化剂. 相比于Pt/XC-72, 纳米碳纤维载体上的铂纳米颗粒有较小的粒径、较好的分散和较高的催化活性, 说明纳米碳纤维是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)催化剂的良好载体.     

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...     

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。     

用于燃料电池质子交换膜的含萘及氮杂环结构的新型磺化聚酰亚胺的合成及性能

将自制的4,4'-二氨基二苯醚-2,2'-二磺酸基(ODADS)、 含氮杂环芳香二胺1,2-二氢-2-(4-氨基苯基)-4-[4-(4-氨基苯氧基)-苯基]-二氮杂萘-1-酮(DHPZ-DA)和1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)进行直接缩合聚合反应, 通过改变磺化二胺单体的含量来改变聚合物的磺化度, 成功地合成了一系列高分子量的不同磺化度的六元环聚酰亚胺(SPIs), 其特性粘度在0.55-1.47 dL/g. 采用FTIR和 1H NMR技术表征了聚合物的结构. 研究了经溶液浇铸成磺化聚合物膜的理化性质. 结果表明, 随着聚合物磺化度的增大, 膜的含水率和离子交换能力增大, 尺寸稳定性、 对水的稳定性以及抗氧化性降低.     

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。     

可逆式再生氢氧燃料电池初步研究

再生氢氧燃料电池（ＲＦＣ）是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充放电池，使２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋电能与其逆过程得以循环进行，换言之，氢氧燃料电池的燃料氢气和氧化剂氧气可通过水电解技术得以“再生”，起到蓄能作用．ＲＦＣ主要用于航天领域，与目...     

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     

Inducing Covalent Atomic Interaction in Intermetallic Pt Alloy Nanocatalysts for High-Performance Fuel Cells

The harsh working environments of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) pose huge challenges to the stability of Pt-based alloy catalysts. The widespread presence of metallic bonds with significantly delocalized electron distribution often lead to component segregation and rapid performance decay. Here we report L1₀−Pt₂CuGa intermetallic nanoparticles with a unique covalent atomic interaction between Pt−Ga as high-performance PEMFC cathode catalysts. The L1₀−Pt₂CuGa/C catalyst shows superb oxygen reduction reaction (ORR) activity and stability in fuel cell cathode (mass activity=0.57 A mg_Pt⁻¹ at 0.9 V, peak power density=2.60/1.24 W cm⁻² in H₂-O₂/air, 28 mV voltage loss at 0.8 A cm⁻² after 30 000 cycles). Theoretical calculations reveal the optimized adsorption of oxygen intermediates via the formed biaxial strain on L1₀−Pt₂CuGa surface, and the durability enhancement stems from the stronger Pt−M bonds than those in L1₁−PtCu resulted from Pt−Ga covalent interactions.     

石墨纳米纤维用作质子交换膜燃料电池催化剂载体

利用质子交换膜燃料电池用过的废旧碳纸,采用球磨法制备了石墨纳米纤维(GNF,BET比表面积为229·3m2/g),并以GNF作为载体制备了Pt/GNF催化剂(电化学比表面积为98m2/g).与传统的以VulcanXC-72碳黑为载体的Pt/XC-72催化剂相比,其电化学比表面积及Pt粒径大小相近.采用恒电位氧化法考察了GNF,XC-72,Pt/GNF和Pt/XC-72的电化学稳定性.结果表明,在相同条件下,XC-72的峰电流增加了60%,而GNF增加了2%;Pt/XC-72的腐蚀电流比Pt/GNF的大40%;恒电位氧化60h后,Pt/XC-72约有84·7%的电化学比表面积损失,Pt/GNF仅损失37·2%.这表明GNF的抗腐蚀性优于XC-72,有希望成为质子交换膜燃料电池抗腐蚀的催化剂载体.     

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。     

以亲核取代反应制备质子交换膜用磺化聚酰亚胺

本文先通过缩合反应合成羟端基的二酰亚胺单体, 然后利用亲核缩聚反应, 与4,4′-二氯二苯砜及3,3′-二磺酸钠基-4,4′-二氯二苯砜共聚, 制备聚合物. 该合成路线反应周期短, 对温度和溶剂等条件要求不高, 简便易得.