质子交换膜燃料电池关键技术研究进展

简述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理及特点;综述了PEMFC关键技术的最新研究进展,包括质子交换膜合成、电催化剂制备、膜电极工艺及水管理和热控制;并简介了我国PEMFC的开发情况。     

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、分割氧化剂与还原剂的作用。PEMFC用电催化剂主要为铂系电催化剂,为降低成本,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之一。对PEMFC电极的工作原理,关键组件及电池的水管理、热管理方法等作了综述。     

圆柱形质子交换膜燃料电池的研究

目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)多为平板型板框式结构,介绍了一种圆柱形新型结构的质子交换膜燃料电池。制备了外径6 mm,壁厚为1 mm的微型阳极圆管,采用涂覆法制备阳极微孔层和阴阳极的催化层,热滚压法制作膜电极(MEA),并解决了气体进出、密封与电极的引出等方面问题。应用三维软件进行结构设计,并用模拟分析软件ANSYS进行热和静力分析,最后组装成圆柱形质子交换膜燃料电池。当氢气压力为0.2 MPa、常温常压下工作时,开路电压为0.8 V,功率密度可达到8.3 mW/cm2。     

质子交换膜燃料电池用催化剂及其电极的研究进展

膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心技术。膜电极包含的催化剂层、材料和结构等对PEMFC的性能影响很大。催化剂面层上供三相(质子、电子、气体)用的通道对于电池使用时的催化作用是必不可少的。介绍了近几年催化剂的研究进展,看重对三相通道进行了详细叙述。也回顾了一些用于改善催化剂活性的其他方法,如阴极催化、合金催化剂,根据这些进展,对今后的研究方向提出了建议。     

燃料电池质子交换膜研究进展

质子交换膜作为燃料电池的关键材料之一,得到世界各国学者的广泛关注和深入研究,已先后研发出含氟高分子类、芳香烃聚合物类以及有机/无机杂化材料的质子交换膜.本文对燃料电池工作原理进行简要概述,并针对质子交换膜的应用前景及研究现状进行分析.     

乙烷质子交换膜燃料电池的研究

研究了以乙烷作为燃料、全氟磺酸高分子膜(Nafion膜)作为质子交换膜、Pt或Pt-Ru作为电极催化剂主要组分、并通过掺杂Nafion膜作为电极内的离子导体构成的燃料电池电化学性能.研究了两种电极催化剂:Pt与Pt-Ru复合催化剂的制备及构成的单电池在不同温度及运行时间下的电化学性能.温度增加,电池性能变好;运行时间增加,电池性能下降,在相同的温度与运行时间下,Pt-Ru复合催化剂构成的电池比Pt催化剂构成的电池极化小.通过分析电极反应产物,探讨了乙烷电极及电池的反应机理.结构为C2H6,( Pt-Ru+膜材料复合阳极)/Nafion膜/(Pt+膜材料复合阴极),O2 的质子交换膜燃料电池,在150℃时,电池的最大输出电流和功率密度分别高达70 mA·cm-2和22 mW·cm-2.     

质子交换膜燃料电池催化剂制备方法

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效的能量转换装置,具有使用温度低、转换效率高等优点,是电化学和能源科学领域的一个研究热点.本文讲述了PEMFC的概述、工作原理及其研究现状,并着重论述了PEMFC催化剂各种制备方法.     

交流阻抗技术在质子交换膜燃料电池上的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低温、高效、零排放等特点,是有效解决环境污染和能源危机的发电装置,然而其内在电化学、传输机理不明确限制了其发展。交流阻抗技术(EIS)作为研究电极过程动力学和表面现象的重要手段,应用在PEMFC上受到高度重视。本文概括介绍了EIS的应用原理以及对于PEMFC的测量方式,并重点结合电池电极中典型的阻抗谱解析,总结了近来EIS在电池和材料两个方面的研究进展,从原位极化分析、材料性能评估及反应机理剖析等几个方面予以深入,详细分析了各阻抗元件参数对电池和材料改进的指导作用,进而展望了EIS在燃料电池上的应用前景,指出除了采用等效电路加以分析以外,结合数学模型推导将更加完美呈现出阻抗谱数据的特点。     

质子交换膜燃料电池的发展现状

简要叙述了质子交换膜燃料电池的发展历史,介绍了高效、新型电催化剂、新型质子交换膜、新型双极板与流场的研究、应用、开发等关键技术,并对质子交换膜燃料电池的发展前景进行了展望。     

直接涂膜技术用于质子交换膜燃料电池膜电极制备

引　言质子交换膜燃料电池 (PEMFC)是极具吸引力的电化学能量转换装置 ,是未来电动汽车的主要动力源 ,也是洁净高效的新型化学电源 .对于电动汽车的应用 ,要求PEMFC提供高能量密度、低催化剂负载量 ,以降低系统体积和成本[1] .膜电极(membraneandelectrodeassembly ,简称MEA)是由聚合物电解质膜、电极催化剂和扩散层材料组合而成的三明治式结构组件 ,类似于计算机的芯片 ,是燃料电池的核心部件 ,长期以来大量的研究集中于MEA新材料设计与制备 ,以提高电池的性能 .近年来 ,对MEA的微观结构分析、MEA制备工艺与电池性能的关系研究工作明显增多[2～ 7] .从PEM FC研究实践中发现 ,如何减少电极中Pt催化剂负载量并能继续保持或者提高电池性能的MEA制备技术开发至关重要 .其中超薄Pt层沉积法[8～ 10 ] 是MEA的制备新技术之一 .与传统的基于墨水涂布(based inkprinting)的方法相比 ,喷溅沉积法(sputterdeposit) [9] 制备的MEA提高了电池的性能和催化剂的利用率 ,它是用直接喷溅沉积法 (directlydeposit) [10...     

质子交换膜水电解制氢膜电极研究进展

质子交换膜水电解（PEMWE）制氢具有可适用于风能太阳能等可再生能源的间歇性和波动性、能量转换效率高、启动快速、占地小等优点,成为目前绿氢制取重点关注的技术。膜电极作为水电解制氢关键核心部件,对于水电解制氢的性能、效率和寿命至关重要,并随着量产规模的扩大在系统成本中的占比越来越高。发展高性能、低成本和高耐久性的膜电极对于绿氢的低成本大规模制取具有重要意义。本文综述了近年来质子交换膜电解水制氢膜电极中质子交换膜、催化层、多孔传输层等关键材料部件以及膜电极制备技术的研究进展和成果,并进行了简要评述。从膜电极设计和开发的角度系统地梳理了如何提高电解制氢性能、降低水电解制氢膜电极成本等方面的进展。最后,就未来膜电极研发的方向提出了建议。     

质子交换膜燃料电池膜电极制备方法的研究进展

燃料电池技术作为一种绿色能源技术,在减少能源消耗、环境污染等方面具有巨大潜力。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件,MEA中电化学反应的顺利进行需要各功能层的协调配合,MEA各功能层涉及的传质、导电、导质子、催化等方面均影响燃料电池的性能。根据制备方法,可以将MEA分为催化剂涂敷基底（CCS）型MEA、催化剂涂敷膜（CCM）型MEA、有序化MEA和一体化MEA。MEA的性能不仅由催化剂本身载量决定,也受其结构设计和制备工艺的影响。本文介绍了MEA制备过程中常见的改进方法,分别从催化剂喷涂、刮涂、模槽挤出涂覆方式,催化剂浆料组成中Nafion含量和溶剂极性选择,催化层梯度化、图案化及界面结构改进,PEM结构增强、图案化、成膜方式等方面的研究进展进行讨论。但是目前对于MEA各功能层界面间的研究较少,应该注意的是催化层/质子交换膜（PEM）界面以及催化层/气体扩散层（GDL）界面设计也将直接影响MEA的性能。     

基于膜电极的质子交换膜微生物燃料电池

通过采用传统电化学燃料电池的技术和材料,以寻求提高微生物燃料电池的电流密度,制作基于膜电极的微生物燃料电池。通过构建温控压力机,制作了一系列膜电极(MEA),并对作为正极的多种碳材料进行了筛选。使用定制的玻璃微生物燃料电池来放置膜电极和培养Geobacter sulfurreducens,对产生的电流进行评价。细胞的生长以乙醇为唯一碳源,因而代表了一种新型的乙醇/氧气燃料电池。相比以前的设计,基于膜电极的微生物燃料电池的电极表面每个单位会多产生出100倍的电流,并且可以被长久使用。     

结构参数对质子交换膜燃料电池阴极有序催化层的影响

建立了质子交换膜燃料电池阴极有序催化层的稳态数学模型,目的是研究催化层厚度、铂载量、电解质体积含量和碳载体直径等设计参数对催化层性能的影响。模型方程涉及质子、电子和氧气的传递以及电化学反应等过程。计算结果与实验数据吻合。模拟表明,一定范围内较薄的催化层有利于性能提高,但厚度太小反而不利;提高电解质体积含量和铂载量可以明显改进催化层工作特性,但存在优化值,高于此值,催化层性能迅速下降;较细的碳载体直径会适当改善催化层性能。     

AB-PBI分子量对高温膜燃料电池膜电极性能的影响

聚合物分子量是表征聚合物特征的基本参数之一,分子量不同,聚合物的性能差异很大,其对高温质子交换膜燃料电池膜电极的输出性能亦起着至关重要的作用。聚（2,5-苯并咪唑）(ABPBI)的结构简单, 合成方便,可由单一单体聚合而成, 而且其每一个苯并咪唑重复单元上的-N 基团都可与酸以氢键的方式结合, 因而呈现较好的质子电导率。合成了4种不同分子量的ABPBI,采用自制ABPBI膜作为电解质,Pt/C为催化剂,研究了不同分子量ABPBI配制的浆料组装的氢氧高温燃料电池的性能,通过极化曲线测试可以看出聚合物分子量越小膜电极(MEA)性能越好。进一步对膜电极交流阻抗性质进行了研究,经Zsimpwin软件拟合得出,分子量越大电荷转移电阻越大,与极化曲线测试结果相符,并且随着电流密度的增大,各部分电阻均成下降趋势。     

燃料电池自增湿膜电极的研究进展

使用自增湿膜电极可以减去燃料电池复杂的增湿系统,并使得膜电极的水热管理变得容易和简单,对于燃料电池的大规模商业化具有重要意义。本文主要从自增湿复合膜、自增湿催化层以及自增气体扩散层等几个方面介绍了近年来自增湿膜电极的一些重要研究进展和发展趋势。首先介绍了基于掺杂和复合机构的自增湿复合膜的发展状况,指出自增湿复合膜是最直接有效的自增湿方式;其次介绍了基于物理或化学方法构筑的自增湿催化层的研究现状,认为构筑自增湿催化层能够促进阴极侧电化学反应生成的水向阳极侧的反扩散,从而提高膜电极的低湿度性能;最后综述了自增湿气体扩散层,对这类电极的发展趋势及应用前景进行了展望。     

质子交换膜燃料电池仿真模型研究进展

质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。     

Basic examination of membrane electrode assembly of proton exchange membrane fuel cell considering heat deterioration

The purpose of this research is to develop a standard preparation method for membrane electrode assemblies (MEAs). Therefore, the preparation method for multilayered MEAs with gas diffusion layers (GDLs) and the degree to which polymer membranes deteriorate by heating were studied. As a result, improvement of power density by making multi catalyst layers provides a solution to some problems found in thin polymer membranes. In addition, it was found that improving the diffusion of gas through two-layer GDLs in cathode (duct side: carbon paper, catalyst layer side: carbon cross) results in a cross leak reduction. Moreover, a making condition of MEAs was optimized by varying the temperatures used for the multi catalyst layers and two-layer GDLs. The analysis of heat deterioration of the Nafion membrane using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) indicates that the optimal hot press temperature is 130 °C.     

中压氢-氧质子交换膜燃料电池的运行特性

通过设计阴极流道宽度为1 mm与2 mm的单电池,研究了不同温度下闭口中压氢-氧质子交换膜燃料电池的运行特性。结果表明：(1)2 mm的电池有较好的闭口稳定运行特性,在800 mA·cm-2下,1 mm的电池闭口运行时,大约经过3 min,电压从0.7 V下降到0.5V,而2 mm的流场结构能实现电池53 min的运行;(2)电池性能随温度的升高而下降,相对于65℃运行,温度为80℃时,1mm的电池闭口运行时,大约经过1.7 min,电压从0.69 V下降到0.5 V,此时为维持电池的高性能运行,氧气侧所需的排放时间越短;(3)电池的内阻随温度的升高而增大,高温时增幅较小。     

质子交换膜燃料电池用氢质量标准的发展历程和现状

氢气中杂质种类和含量水平对加氢站关键设备、氢燃料电池汽车供氢系统、燃料电池核心部件的性能和寿命有着重要的影响。国际标准化组织（ISO）以及各国标准化机构依据技术发展趋势和产业化进程特点,研制构建了系统完备、指标要求合理的燃料电池用氢质量标准体系,在氢能和燃料电池汽车技术发展中起到了基础支撑作用。本文回顾了质子交换膜燃料电池用氢质量标准的发展历程,对比分析了国内外标准的差异,认为我国质子交换膜燃料电池用氢的质量标准对杂质组分的限值要求与国际先进标准是一致的,我国产业界应充分重视标准的实施应用,积累更多的试验数据,为主导或参与国际标准制修订工作奠定基础。