聚电解质燃料电池中的质子交换膜研究进展

聚电解质燃料电池(polyelectrolyte fuel cells, PEFCs)是汽车、固定式和便携式应用中极具前途的可清洁发电设备.质子交换膜是PEFCs中的重要组成部分之一.它在电池中起着阻隔燃料、传递质子的作用,其性能的优劣会直接影响PEFCs高效、稳定的运行.本综述主要总结了近20年质子交换膜的发展历程,从PEFCs的工作原理出发,首先引出质子交换膜在PEFCs中的重要作用,然后考察了质子交换膜的结构特点及其应用于PEFCs的传质特性.重点强调了质子交换膜结构对低温PEFCs性能的影响,主要包括全氟质子交换膜、含氟质子交换膜和非氟质子交换膜,以及近期开发的新一代质子交换膜.在低温质子交换膜的基础之上,还针对高温PEFCs介绍了高温质子交换膜的发展和面临的挑战.最后,展望并预测了未来质子交换膜的发展方向.     

质子交换膜燃料电池催化层模型研究进展与展望

质子交换膜燃料电池是一种零/低碳排放的高效能量转换技术,对我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义.催化层是直接决定电池性能与寿命的关键组件之一,也是电池规模化商用的核心.催化层具有复杂的多物理场多尺度耦合输运反应过程,需要借助精确的数值模型来理解内部的传输与反应机制.本文回顾了近年来氢燃料电池催化层模型的研究进展,重点介绍了典型模型的建模思想,讨论了不同模型的适用性,简述了典型应用参考实例,并对模型的未来研究方向提出了一些建议.     

质子交换膜燃料电池冷启动研究及策略优化现状

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)汽车以其能量转换效率高、续航里程长、零排放等突出优势,在“双碳”目标的背景下引起了广泛的关注.然而,在低温环境下的冷启动问题成为限制其商业化和推广应用的一大障碍.因此,研究人员进行了大量的实验与仿真来研究燃料电池冷启动的衰减机理、水传输相变和传热机理以及启动策略优化.通过对冷启动电池的输出性能和微观结构进行测量与表征,发现由于冰的产生覆盖反应活性位点、堵塞气体通道、增大电接触阻抗导致性能下降,由于水冰相变的体积变化破坏了内部结构导致耐久性下降.通过对启动过程中水和冰的分布、传输与相变过程进行研究,发现反应产物水首先以膜态水使质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)和催化层(catalyst layer, CL)的含水量达到饱和,接着以过冷水的形式在低温下保持液态,最后排出电池或突然结冰.通过研究冷启动的传热过程发现,电堆中间部分的电池单元和单电池的中间区域升温最快,为产热的主要区域,阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction, ...     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

低铂质子交换膜燃料电池氧还原催化剂的研究进展与展望

Pt基催化剂是氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)最有效的催化剂,然而有限的Pt资源和高Pt载量严重制约了质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)的规模化应用.开发同时具有低Pt含量、高活性的ORR催化剂是推动PEMFCs大规模商业化的有效途径.本文从纯Pt催化ORR的机理出发,对当前研究中具有优异性能的均匀Pt合金催化剂和核-壳结构Pt基催化剂的ORR催化机理进行了阐述,并概述了其研究进展、研究策略和制备方法.尽管目前的研究致力于对Pt基纳米颗粒的形貌、粒径、元素组成和晶面等进行精确设计和调控,并在实验室层面实现了活性和耐久性的显著提升,但是现有常用制备方法存在的问题使得其商业化生产无法取得突破进展.最后对Pt基催化剂的规模化制备提出了见解,并对其前景进行了展望.     

应用于燃料电池的全氟磺酸膜及其改性

对近年来国内外应用于燃料电池的全氟磺酸膜及其改性膜的研究进行了综述和分析. 全氟磺酸膜质子传导率高、化学稳定性好、使用寿命长, 广泛应用于低温燃料电池中. 但其成本偏高, 燃料渗透严重; 并且当膜内含水量较低或由于电池操作温度高于100℃而又无水的补充时, 电导率会明显下降, 严重影响电池的性能. 鉴于以上不足, 研究者对全氟磺酸膜进行了各种改性, 以使之适应各种燃料电池的工作需求. 低EW值、低成本、耐高温和结构稳定的离子交换膜及其改性膜将是今后研究的重点.     

杜邦NAFION阳离子交换膜环保与能源兼容并蓄

工业发展造就了产业生产各种商品,旨在提高人类更舒适的生活质量,但是在制程中所产生的污染,也损伤了地球的生态环境。在可持续经营的目标下,工业界正运用电化学技术来开发不会对环境造成污染又不影响生产的新能源。而这其中,杜邦公司所生产的Ｎａｔｉｏｎ　膜就扮演着关键性的角色。 Ｎａｔｉｏｎ　膜是以聚四氟乙烯为原料的阳离子交换膜,杜邦公司早在４０年前就研发出Ｎａｔｉｏｎ　膜,当时并成功的运用在美国太空总署所发射卫星动力之上,从此Ｎａｆｉｏｎ　膜被誉为是ＰＥＭ ＦＣ（Ｒｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍ－ｂｒ…     

磺化聚砜质子交换膜在低温常压电化学合成氨中的应用

用氯磺酸为磺化剂, 二氯乙烷为溶剂, 低温下对聚砜进行改性, 制备磺化聚砜质子交换膜, 以NiO-Ce_0.8Sm_0.2O₂-δ(SDC)为阳极和阴极材料, 银-铂网做集流体组成单电池, 在自制的合成氨测试装置中用湿氢气和氮气进行合成氨测试. 测试结果表明, 该质子交换膜在室温具有较高的质子导电率, 在353 K下质子导电率最高为2.5×10^-3 S/cm, 合成氨产率为3.2×10^-9 mol/(cm²·s), 实现了低温常压下合成氨.     

耐碱的胍盐阴离子交换膜研究进展

近年来,碱性阴离子交换膜燃料电池的发展得到了国内外研究人员的广泛关注,其中开发具有高碱稳定性的阴离子交换膜材料成为了研究的热点和难点.除了聚合物骨架,改善离子基团的稳定性对于阴离子交换膜材料整体稳定性的提高具有关键作用.胍盐离子作为一种新型的离子基团,分子结构中正电荷共轭分布在中心碳和3个氮原子上,电荷高度离域使得胍盐离子具有非常优异的热稳定性和化学稳定性,有望解决传统季铵盐离子在碱性条件下存在的降解问题.本文综述了近年来胍盐型阴离子交换膜材料的研究进展,其中包括胍盐阴离子交换膜材料的制备、分类以及胍盐离子的降解机理,同时对于耐碱型胍盐阴离子交换膜的结构设计进行了分析和展望.     

浅析燃料电池

燃料电池作为一种将化学能直接转换为电能的发电装置,凭借其发电效率高、污染小、噪音低等诸多优点在各个领域中脱颖而出,被《美国时代周刊》誉为"21世纪的高科技之首"。本文阐述了燃料电池的相关概念及特点,讲述了燃料电池的发展历程,并从民用和军用两大方面介绍了燃料电池的最新进展,最后探讨了燃料电池发展面临的问题并对它的未来进行了展望。     

离子液体在核燃料后处理中的应用

核燃料后处理是核燃料循环的核心,对于核环境安全和核能的可持续发展意义重大.离子液体作为新一代绿色溶剂在核燃料后处理中具有广阔的潜在应用前景.离子液体可以替代易挥发的有机溶剂用于水法后处理萃取分离放射性核素,也可以替代强腐蚀性的高温熔盐用于干法后处理电解回收金属离子.本文在作者工作基础上总结了近年来离子液体用于核燃料水法和干法后处理的基础研究成果,归纳和分析了其中的关键科学问题.此外,由于核燃料后处理涉及强辐射应用环境,离子液体的辐射稳定性是其实际应用的前提和关键,因此本文还综述了国内外有关离子液体辐射效应的研究进展,评估了离子液体用于核燃料后处理的辐射化学可行性.最后,基于当前的研究现状和研究水平展望了离子液体在核燃料后处理应用方面的研究前景.     

煤基/碳基固体氧化物燃料电池技术发展前沿

作为新一代能源技术,固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell, SOFC）发电系统具有能量转化效率高、燃料适应性广、价格低廉、安全方便等特点。SOFC技术通过长期研究和发展,其电解质、阴极、阳极等关键材料核心技术已经突破,并初步具备产业化发展的基础,但其整体性能的优化仍有待深入研究,其中解决碳基燃料SOFC长期稳定性是实现SOFC商业化的关键所在。必须进一步探索SOFC发电技术中碳基燃料电化学和催化化学过程,解决材料稳定性、界面相容性和耐热循环性,系统中传热、传质与电极反应耦合等科学问题;发展纳米微米级薄膜制备技术、SOFC电池堆装配和系统集成技术,实现SOFC整机性能的稳定和优化,推动SOFC跨越式发展。     

碳基纳米管的生长机理、结构调控及能源导向的功能化研究*

简要介绍了以苯为原料生长碳纳米管的六元环机理,运用该机理的基本思想设计制备了N,B掺杂的碳基纳米管,方便地构建了高分散的铂基纳米复合催化剂,在燃料电池电极催化反应（甲醇氧化、氧还原）中具有优良的电催化性能。富电子N或缺电子B的掺杂均可将碳纳米管转变为优良的无金属氧还原催化剂。这些研究为设计和开发替代或优化利用贵金属的高性能燃料电池催化剂提供了新的思路、方法和途径,展示了碳基纳米管在新型能源材料领域的广阔前景,也体现了基础研究在科技创新中的重要作用。     

空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的评估方法

利用等离子体驱动微小碎片加速器, 开展空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的地面模拟实验, 得到了微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的平均表面损伤系数和撞击损伤方程, 并分别提出了利用平均表面损伤系数和撞击损伤方程评估空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的评估方法. 结合master2005空间碎片分布模式计算得到的空间微小碎片分布规律, 采用这两种评估方法分别对800 km轨道高度航天器太阳电池遭受微小碎片撞击引起的表面损伤率进行了评估. 计算结果表明这两种方法能够相互验证, 并且发现空间微小碎片撞击对太阳电池的表面损伤主要由5~500 μm碎片撞击引起.     

染料敏化太阳能电池对电极材料的研究进展

染料敏化太阳能电池 (dye-sensitized solar cell, DSSC) 以其低廉的价格、简单的封装工艺、材料的环境友好性、较高的光电转化效率等优点, 得到了学术界和工业界的广泛关注. 作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分, 对电极(counter electrode, CE)材料的价格、性能以及制备方法, 直接关系到其将来的大规模应用. 本文简要介绍了染料敏化太阳能电池的工作原理以及对电极的作用, 重点综述了近年来对电极方面具有代表性的研究成果.     

含有p-GaN 纳米阵列的InGaN/GaN 双异质结太阳能电池的制作

提出了一种提高p-GaN/i-InGaN/n-GaN 双异质结太阳能电池外量子效率的方法,即将p-GaN 刻蚀成纳米阵列结构. 我们使用Ni 退火形成微结构掩模, 通过感应耦合等离子体(ICP)将p-GaN 刻蚀纳米阵列结构. 同时, 提出了两步刻蚀n-GaN 台面的制作工艺, 以此在形成p-GaN 纳米阵列结构时获得光滑的n-GaN 层表面, 以此改善后续金属电极的沉积. 经测试, 含有p-GaN纳米阵列结构的电池峰值外量子效率可达55%, 比常规p-GaN 膜层基InGaN/GaN 太阳能电池的外量子效率提高了10%.     

世界煤地下气化的快速发展

由于世界油气资源的涨价和环境问题的严重,促使人们对一级能源的重新选择。与核能、水能和其他可再生能源相比,煤地下气化（UCG）是最好的选择。目前,澳大利亚、英国、南非都有快速的发展,煤地下气化技术已包括UCG IGCC CCS,UCG AFC CCS,UCG GTL CCS等的新方向,真正意义上地实现减排的效果。事实证明UCG的成本低廉,效率高、环境友好。尤其英国正在建由UCG供氢氧的300MW燃料电池,并通过燃料电池（AFC）发电的电站,可以达到零排放。所以,煤地下气化是解决确保国家的能源安全、CO2减排和环境污染、以及采煤矿工人身安全的一把金钥匙。因此,UCG应当是中国一级能源发展的主要方向。