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。     

直接甲醇燃料电池质子膜研究进展

本文对直接甲醇燃料电池(DMFC)质子交换膜的要求及目前的研究状况作了简要的概述,特别是从基膜材料结构角度进行分类,较详细地介绍分析以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜的各种改性研究及以PBI、PEEK、PSU等基膜材料为代表的聚芳环系列的DMFC质子交换膜的研究情况.总结了质子交换膜的一些研究方法,对直接甲醇燃料电池质子交换膜的发展前景进行了探讨。     

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.     

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。     

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.     

燃料电池用磷酸掺杂高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有高温下电极反应动力学快、催化剂抗毒化能力强及水热管理简单的优点,是当今燃料电池的重要研究领域之一.作为HT-PEMFC的关键部件,高温质子交换膜直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.磷酸掺杂型高温质子交换膜因其高温低湿或无水条件下较高的质子电导率、良好的化学稳定性及热稳定性等而成为高温质子交换膜材料的研究热点.但是,在实际应用过程中,其面临质子电导率与力学性能难以协同兼顾以及磷酸流失等问题.结合本课题组及国内外的文献报道,本文综述了磷酸掺杂高温质子交换膜的研究现状、关键科学问题及解决策略,展望了HT-PEM的未来发展方向.     

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。     

磺化聚醚醚酮酮/氨基封端超支化聚酰亚胺复合膜的制备

正质子交换膜燃料电池因具有能量转换效率高及对环境无污染等优点,而受到广泛关注.燃料电池的核心部件是质子交换膜,其性能对燃料电池的使用性能有直接的影响[1,2].目前具有工业化水平的是Nafion~膜,但是其价格高,运行温度低,因而人们希望研制能够替代Nafion~的非全氟磺酸型质子交换膜[3,4].研究发现,磺化聚芳醚酮等芳香型聚合物膜在实现了高质子传导率的同时,往往会牺牲其在高温和高湿度下的尺寸稳定性和力学强度[5,6].超支化聚合物通常具有椭球形的分子结构和良好的溶     

有机-无机杂化材料在质子交换膜中的应用

质子交换膜是燃料电池中的核心组件,起着分隔阴极阳极、传导载流子等作用。然而,目前的膜材料在质子传导率、尺寸稳定性等方面仍有较大不足。有机-无机杂化材料兼备了有机、无机材料各自的优点,作为质子交换膜具有良好的应用前景。本文综述了近年来有机-无机杂化材料在燃料电池质子交换膜方面的研究进展,介绍了金属盐、金属纳米粒子掺杂、二氧化硅及硅氧烷掺杂,以及氧化石墨烯或粘土掺杂等三种方法制备的质子交换膜,并从制备方法、性能等方面分析了每种质子交换膜的优缺点。     

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。     

燃料电池质子交换膜研究进展与展望

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁高效的能量转换装置,具有比功率高、稳定性好、易于启动等优点,是未来可移动动力源的理想候选。成本和寿命是阻碍PEMFC商业化的主要原因,寻找新型材料是解决这两大问题的必然选择,也是近年来质子交换膜研究的热点和重点。本文介绍了几种质子交换膜材料的研究进展,主要包括聚合物型、陶瓷型和有机-无机复合型,讨论了各种膜材料的特点,并对其未来的发展加以展望。     

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.     

Non-Fluorinated Polymer Composite Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Applications – A Review

The critical component of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system is the proton exchange membrane (PEM). Perfluorosulfonic acid membranes such as Nafion are currently used for PEMFCs in industry, despite suffering from reduced proton conductivity due to dehydration at higher temperatures. However, operating at temperatures below 100 °C leads to cathode flooding, catalyst poisoning by CO, and complex system design with higher cost. Research has concentrated on the membrane material and on preparation methods to achieve high proton conductivity, thermal, mechanical and chemical stability, low fuel crossover and lower cost at high temperatures. Non-fluorinated polymers are a promising alternative. However, improving the efficiency at higher temperatures has necessitated modifications and the inclusion of inorganic materials in a polymer matrix to form a composite membrane can be an approach to reach the target performance, while still reducing costs. This review focuses on recent research in composite PEMs based on non-fluorinated polymers. Various inorganic fillers incorporated in the PEM structure are reviewed in terms of their properties and the effect on PEM fuel cell performance. The most reliable polymers and fillers with potential for high temperature proton exchange membranes (HTPEMs) are also discussed.     

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.     

A novel proton-exchange porous silicon membrane production method for μDMFCs

This study introduces a new production method to use as a porous silicon-based proton exchange membrane for μDMFCs. In this respect, EIS, fuel crossover test, and fuel cell performance test at the μDMFC sample cell are performed at room temperature on a porous silicon-based membrane that was produced for passive mode μDMFC as a proton exchange membrane. The reason for performing the fuel crossover test is to ensure the silicon opened pores along the silicon wafer and to examine the fuel permeability of the membrane. The fuel crossover test shows that the fuel cell provides energy for about 60 min with a 50 mL fuel. EIS reveals proton permeability of proton exchange membrane. The calculated value of the conductivity of the membrane is 0.0016 S/cm. OCV of the system is 0.4V, whereas values (with highest power density is 0.1 mW/cm²and with the highest current density is 0.39 mA/cm²) are low. However, porous silicon is not a natural proton conductor. Hence, these values can be increased by different ways such as porous silicon functionalized, or serial connection of fuel cells. On the other hand, the value of OCV is consistent with the previous studies. In sum, this study presents a simple, cost-effective, and short time-consuming method for the production of porous silicon as proton-conducting membrane behavior.     

微生物燃料电池

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先简要介绍了MFCs 的发展简史和基本原理,针对MFCs 产电性能低的现状,分别从产电微生物、电池结构、质子交换膜(PEM)、电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高MFCs 产电性能的研究进展。最后介绍了关于MFCs 的另一些有趣的研究方向：植物MFCs,生物阴极MFCs,以及污水脱氮和有毒废水处理。     

侧链磺化聚芳醚质子交换膜的研究进展

燃料电池是以氢气、甲醇等作为燃料的一种新型能量转化装置,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）凭借其能量功率高、启动速度快和使用寿命长等优点已经在移动电源、潜艇和电动汽车等领域得到了广泛应用。质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）对PEMFC的性能影响最大,高效的PEMFC需要PEM具有高的质子电导率、良好的热稳定性和机械性能、低燃料渗透率以及优异的物理化学稳定性等。目前市面上多数使用的均是具有优异质子电导率的Nafion系列膜,但其存在制备困难、成本昂贵、质子电导率严重依赖湿度等缺点,在一定程度上限制了其发展。为了让PEM有更多的选择,科学家一直专注于使用新材料替代Nafion膜。近年来,科学家们模拟Nafion结构,通过合成各种侧链含磺酸基团的聚芳醚结构,使得亲水基团磺酸基和疏水基团之间形成微相分离结构,从而获得了一系列具有优异综合性能的PEM。本文将重点对侧链烷基磺化型、侧链磺化嵌段型、侧链局部密集磺化型、侧链磺化交联型和侧链磺化复合型这几种常见策略的合成方法及性能进行了综述,最后展望了侧链磺化聚芳醚在PEM领域的优势及发展前景。     

有机-无机复合质子交换膜的制备与界面特性

有机-无机复合质子交换膜的开发是燃料电池用质子交换膜的一个重要研究方向,本文综述了有机-无机复合质子交换膜的制备方法,分析了两相之间的界面特性,并对这种复合膜的研究前景进行了展望.