质子交换膜燃料电池催化剂的研究方法

质子交换膜燃料电池性能的提高受限于电极上催化剂的电化学活性,而对催化剂的研究有助于人们深入了解其化学状态、电子结构等因素与电化学活性之间的关系。本文详细地介绍了有关质子交换膜燃料电池催化剂等五种研究方法(旋转薄层电极、固态核磁共振、X射线吸收光谱、电化学石英晶体微天平、差分电化学质量光谱)的原理、应用技巧以及在催化剂研究中所揭示的信息和局限性,并对今后的发展进行了展望。     

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.     

质子交换膜燃料电池模型研究进展

综述了质子交换膜燃料电池 (PEMFC)数学模型的研究进展 ,分析PEMFC中膜、催化层、扩散层和流场区域的传递现象和水、热管理的重要性 ,讨论了模型的维数、复杂性和求解方法 .提出了带有时间维数的PEMFC模型研究的实际应用意义     

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.     

用于质子交换膜燃料电池催化剂结构研究的原位XAFS实验方法

依托上海光源的X射线吸收精细结构(XAFS)谱学线站(BL14W1),建立并发展了用于氢-氧质子交换膜燃料电池(PEMFC)原位XAFS实验的测试装置,以Pt/C纳米催化剂作为PEMFC的阴极催化剂, Pd/C作为燃料电池的阳极催化剂,采集在工作状态下的阴极催化剂的XAFS数据,同步监测燃料电池的电流-电压(J-V)曲线和功率密度曲线,观察到Pt/C催化剂在反应过程中不同电位下氧化态的变化,在高电位下Pt/C催化剂的表面存在较强的Pt-O键,降低了Pt/C催化剂的性能.本文同时也验证了我们所建立的实验装置和研究方法的可行性和可靠性.     

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...     

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.     

墨水溶剂对低铂含量质子交换膜燃料电池性能的影响

Owing to the scarcity of platinum, it is of high importance to develop electrodes with low platinum metal loading and to thereby improve the utilization of Pt for the commercialization of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In comparison to conventional high-platinum electrodes, the thickness of the catalyst layer (CL) is thinner and the interatomic Pt spacing is larger for the low-Pt loading electrodes. The distribution of electrolyte ionomer and the electrode morphology, which are strongly influenced by the solvents used in the fabrication process, are therefore increasingly important factors for achieving high performance in the membrane electrode assembly (MEA). In this work, different solvents with various dielectric constants and evaporation rates were used to prepare the inks for low-Pt loading cathode (0.1 mg·cm^-2) fabrication. First, the inks were fabricated by dispersing the catalyst and ionomer in different solvents which were then coated onto carbon paper to prepare the gas diffusion electrodes. The anode and cathode electrodes were then hot-pressed together with the Nafion membrane to produce the MEAs. The results showed a mixture of isopropanol-water (4:1) yielded the best-performing MEA during the single-cell tests compared to the other solvents tested. In order to elucidate the relationship between the performance of MEAs and the solvents, the structure and the surface morphology of the CL and the distribution of Nafion ionomer in the CL was characterized using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). A comparison of the SEM and TEM images of representative samples indicated that the best performing electrode had a much improved homogeneity in the surface morphology as well as the dispersion of catalyst and ionomer. This was because of the moderate evaporation rate and better dispersion, caused by the increased hydrogen bonding and high dielectric constant, respectively. The results from dynamic light scattering (DLS) showed that the size of the catalyst and ionomer aggregates are influenced by the solvents. It is suggested that larger aggregates might help the formation of holes in the CL for gas diffusion and water removal, with the optimum size found to be around 400–800 nm. In conclusion, the MEA fabricated from the isopropanol-water solvent exhibited a significantly increased power density (1.79 W·cm^-2), and the utilization of Pt was increased to approximately 0.047 mg·W^-1, which is among the best-performing fuel cells reported to date.     

直接甲醇燃料电池中质子交换膜的研究进展

质子交换膜是直接甲醇燃料电池(DMFC)的关键部件之一. 本文系统地介绍了近三年来DMFC中质子交换膜研究的最新进展.     

分散溶剂对PEMFC催化层中超薄Nafion离聚物质子传导的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化应用的瓶颈仍然是贵金属催化剂导致的成本问题。然而,目前对于催化层中纳米尺度全氟磺酸离聚物(以Nafion为代表)薄膜中质子传导的问题研究不足,无法完善三相界面的成型规律,进而指导催化层设计。在催化层浆料制备过程中,分散溶剂对Nafion的分散形态有直接影响,可能对催化层成型后附着在催化剂颗粒表面Nafion薄膜的微观结构有潜在影响,进而影响Nafion薄膜的质子传导能力。因此,在本文中利用分子自组装技术模拟催化层离聚物薄膜的聚集过程,于模型基底上制备厚度精确可控的纳米尺度Nafion薄膜,并通过微观测试表征技术探索并建立纳米尺度Nafion离聚物的微观结构模型,阐明分散溶剂对Nafion薄膜微观结构及质子传导的影响。研究发现Nafion薄膜在纳米尺度下的质子电导率比体相膜的质子电导率低一个数量级,使用介电常数较小的醇类溶剂可以使Nafion薄膜形成更有利于质子传导的微观结构,使Nafion薄膜的质子电导率得到提高。相关研究结果为优化PEMFC催化层结构,改善PEMFC催化层中质子传导问题提供给了依据。     

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.     

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。     

燃料电池质子交换膜用新型磺化聚芳醚酮的合成和性能表征

报道了一种新型磺化聚芳醚酮材料的合成方法, 通过引入取代基对聚芳醚主链进行保护，用氯磺酸直接磺化方法在聚芳醚酮高分子侧基上引入磺酸功能基, 实现了聚合物磺化结构的可控定位合成, 得到了稳定性较好的磺化聚芳醚酮. 通过核磁共振(NMR)、 热重(TG)和凝胶渗透色谱(GPC)等分析方法对其结构及性能进行了表征. 用溶液浇膜法制备了质子交换膜, 考察了膜的各种性能, 并与商用Nafion膜进行了比较, 其导电性、 热稳定性和吸水性远优于Nafion膜, 抗氧化性、抗水解性和机械强度也达到了较高的指标.     

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.     

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．     

电位置换反应在空心结构Pt基燃料电池纳米催化剂中的研究进展

Pt基催化剂是质子交换膜燃料电池难以替代的催化剂,然而低储量高成本的Pt严重制约其商业化进程。如何在减少贵金属Pt用量的同时提高其电催化性能是该领域的核心问题之一。空心结构纳米催化剂活性面积大,催化活性高,稳定性好且显著减少贵金属的用量,其制备方法众多,其中电位置换法无需额外的去核、无需对模板表面进行功能化且易于控制,是制备空心结构纳米材料的主要方法。本文综述了近年来国内外利用电位置换反应制备空心Pt基纳米催化剂的最新进展,并对其发展和应用前景进行了展望。     

低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极研究进展

具有自增湿能力的低温质子交换膜燃料电池膜电极是实现自增湿燃料电池的重要途径,对于燃料电池的商业化具有十分重要的意义,它不仅可以大幅度减小燃料电池系统的体积,提升燃料电池系统的输出功率密度,还可以有效降低燃料电池的制造成本. 目前,低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极的研究主要是集中在构建具有自增湿能力的质子交换膜、自增湿催化层和复合自增湿层三个方面. 本文主要从这三个方面系统介绍近年来国内外低温质子交换膜燃料电池自增湿膜电极方面的研究进展和发展趋势.     

Sol-gel法在燃料电池用质子交换膜制备中的应用

主要综述了溶胶-凝胶(sol-gel)法在制备质子交换膜中的应用。将Sol-gel法应用到质子交换膜的制备中,提供了一种制膜和优化膜的行之有效的途径。本文着重从利用sol-gel法制备有机/无机杂化型、磷酸/二氧化硅型以及全氟磺酸膜的改进型质子交换膜等方面加以介绍。     

静电纺丝纳米纤维在燃料电池质子交换膜中应用的研究进展

保护环境,开发环保型能源,对人类和社会具有重要意义。 质子交换膜燃料电池由于具有燃料转化率较高和无污染的优点,备受关注。 静电纺丝纳米纤维具有比表面积大、高孔隙率和三维的相互连通的网状结构等特点,可以在燃料电池质子交换膜中得到广泛应用。 静电纺丝纳米纤维类复合质子交换膜具有较高的质子传导率,较低的燃料渗透率,较好的化学稳定性能、热稳定性能和机械性能。 本文首先介绍了质子交换膜燃料电池,然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发,介绍了静电纺丝纳米纤维在Nafion、磺化聚酰亚胺(SPI)、聚苯并咪唑(PBI)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)等不同种类的离子型聚合物质子交换膜中的研究现状及作用机理,同时对静电纺丝纳米纤维在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。