质子交换膜电解制氢膜电极制备技术研究进展

膜电极(MEA)是质子交换膜(PEM)电解堆的核心,是物质传输和电化学反应的场所,直接决定电解堆的性能、成本和寿命。综述了PEM电解制氢膜电极的制备方法,主要包括:多孔传输层表面制备催化层(PTE)、质子交换膜表面制备催化层(CCM)、有序化制备法(OME)及直接膜沉积法(DMD)。PTE工艺可避免质子膜溶胀,但对传输层孔隙结构要求较高;CCM工艺过程简单,具有良好的催化层/膜界面,但电极极化损失高、物质传输性能较低;OME工艺具有良好的导电性及物质传输通道,有助于增加三相界面;DMD工艺可改善催化层与质子膜界面,自由调节膜厚,提升膜电极的性能并降低成本。

基于三维生物膜电极的难生化有机化工废水处理研究进展

近年来,难降解有机化工污染物在自然水体中被广泛检出,对水生态环境和人体健康构成了严重威胁。生物膜电极技术因具备环境友好、去除效率高、适用范围广等优点,在难降解污染物处理领域应用前景日渐广阔。对此,介绍了三维生物膜电极(3D-BERs)反应器构建方法,阐述了三维生物膜电极对有机污染物的降解机理,分析了电化学催化氧化与电活性微生物(EAMs)的协同降解作用,从电子迁移强化角度解析了污染物强化降解机制,并概述了3D-BERs的构建方法与运行参数对反应器效率的影响。本文系统综述了3D-BERs在难生化有机化工废水处理领域中的应用与优势,提出了三维生物膜电极技术的发展前景和今后研究工作的重点方向,为难生化有机化工废水的高效处理提供新思路与技术选择。

工作电压对PEMFC膜电极衰退影响模拟研究

为研究长期稳定运行条件下,工作电压对质子交换膜燃料电池膜电极衰退状况的影响,建立了包含碳腐蚀、Pt氧化与溶解以及离聚物降解的PEMFC多物理场耦合模型进行数值模拟。研究结果表明:随着工作电压增加,阴极催化层中Pt溶解与碳腐蚀速率加快,500 h后Pt表面氧化的区域大幅增加,阴极催化层中团聚体半径与质子交换膜中磺酸基团浓度剧烈减小,衰退区域主要集中在阴极入口处且高电压下衰退程度急剧增加。电池在0.8 V下运行500 h后,阴极入口处阴极催化层与膜厚度显著减小,分别降低13.62%与35.30%;阴极催化层电化学活性面积和膜的离子电导率分别减小59.9%与6.9%,膜的当量质量增加7.4%,且上述指标前100 h内衰退剧烈,随后逐渐趋于平缓。可为膜电极材料设计与控制策略的优化提供参考。

PtIr双功能催化剂膜电极制备及抗反极性能研究

燃料供应不足会导致质子交换膜燃料电池膜电极电压反转,造成阳极催化层中的碳载体发生严重腐蚀,进而给燃料电池带来不可逆的损伤。为了解决该问题,采用双功能PtIr合金作为阳极催化剂制备膜电极,并对其进行了电极极化性能、反极和交流阻抗等测试。结果表明,PtIr/C电极的峰值功率密度可达1.49 W/cm^(2),较Pt/C-IrO_(2)(50%)电极(1.46 W/cm^(2))提高2.1%。反极结果表明,PtIr/C电极抗反极时间725 s,较掺杂IrO_(2)的Pt/C电极反极性能略差,但在整个反极过程中PtIr/C电极呈现出更低的绝对反转电压,以及反极后保持更高的结构稳定性。反极后PtIr/C电极峰值功率密度降为1.18 W/cm^(2),衰减约20.80%,而Pt/C-IrO_(2)(50%)电极的峰值功率密度降至1.09 W/cm^(2),衰减约25.34%。PtIr/C电极相较掺杂IrO_(2)的Pt/C电极具有更佳的初始极化性能和优异的抗反极能力。该研究结果对质子交换膜燃料电池高性能长寿命膜电极催化层设计具有重要的意义。

质子交换膜燃料电池梯度化膜电极的模型构建与设计

通过实验和理论计算的方法定量研究膜电极内部传质等规律,并在此基础上提出梯度化膜电极的定量设计策略。建立了膜电极的极化曲线方程,基于试验与方程回归,得到了膜电极性能特征参数,此参数可以直观地反映出膜电极的电化学性能、内阻和传质性能,为膜电极的优化提供直观依据。构建膜电极的三维空间模型,并进行数值模拟计算,得到了氧气在膜电极内部的分布。基于实验数据和理论计算结果,提出梯度化膜电极的定量设计策略。

PEM电解水制氢膜电极涂布工艺

质子交换膜(PEM)电解水制氢用膜电极卷对卷连续涂布工艺是目前研究的热点,同时也是限制膜电极量产化及国产化的制约因素之一。基于国产膜电极的批量化制备,分析了目前卷对卷连续涂布工艺的系统,介绍了涂布设备的构成及基本原理。在涂布过程中,催化剂浆料是影响产品性能及均匀性的重要因素;介绍了涂布工艺中的缺陷问题及优化方向。从设备装置,浆料配制工艺,工艺参数调试等方面综合解决目前涂布工艺中的产品缺陷问题,减少批量化生产工艺中的质量缺陷和性能缺陷,提高生产效率的同时降低电解水制氢的成本。

催化剂涂覆膜电极工艺在燃料电池膜电极制备中的应用和发展

当前,氢能的推广和应用正在引领新的绿色能源技术革命和投资热潮,而电解水制氢和燃料电池作为重要的氢能转换方式和装置,其核心部件—膜电极的品质高低直接影响氢能的转换效率和系统设备的寿命,而膜电极的品质却直接受生产设备和工艺的影响。本文重点介绍了燃料电池膜电极生产过程中4种涂布设备的工作原理,4种设备各有特点,其中喷涂工艺和刮涂工艺适合实验研究或者产品小批量开发,丝网印刷法适合高黏度浆料,狭缝涂布法更适合高精度批量化生产。

燃料电池膜电极失效原因及机理分析

质子交换膜燃料电池的寿命与其核心部件质子交换膜的耐久性密切相关。为了探究影响膜电极耐久性的主要因素,采用扫描电子显微镜、 X射线荧光光谱仪、弹性模量测试等方法,对工况耐久循环后的失效膜电极进行了分析。结果表明,质子交换膜树脂层脱落、增强层变形是导致膜电极窜漏失效的主要原因。进一步测试结果显示,膜电极中过渡金属元素局部富集,且其弹性模量在横向和纵向分别衰减了14%和25%。基于表征数据,深入研究了质子交换膜的失效机理,并提出了后续改进迭代方向。

钯铱催化剂的制备及其在质子交换膜制氢膜电极中的应用

质子交换膜电解水制氢是制取绿氢的主要技术路线之一,也是电解水制氢行业的研究热点。膜电极是质子交换膜电解水制氢技术的核心零部件,目前其核心开发工作主要是通过调控阳极铱基催化剂的内在结构,增加新的活性位点和增强其稳定性,最终实现在膜电极上降低铱使用载量的目的。本文提出一种新型析氧催化剂的制备方案:在传统铱基催化剂中引入钯元素,开发出钯铱合金催化剂,将钯作为新增的活性点,并充分利用钯金属与铱金属的合金效应,激发铱基催化剂的隐藏活性,其析氧过电位仅为344 mV,塔菲尔斜率为75.71 mV/dec,活性较传统铱基催化剂大幅提升。将其应用于膜电极上,当铱载量为0.33 mg/cm^(2)时,在1000 mA/cm^(2)的工作电流密度下,电解水电压仅为1.867 V,且已稳定运行350 h。

新型浸渍法制备的超薄燃料电池膜电极组件及其性能表征

质子交换膜燃料电池膜电极组件的性能受限于氢气与氧气在催化层中的不均匀分布。为了促进氢气与氧气在催化层中的扩散,本文使用结合了电势置换反应的新型浸渍法在质子交换膜上沉积一层具有电催化活性的Pt基合金纳米颗粒,形成了超薄的不含碳载体的催化层。在与碳纸复合后即可获得正常工作的新型膜电极。经测试,超薄催化层能提高膜电极的贵金属利用率,降低其制备成本,有利于推动质子交换膜燃料电池与相关产业的发展。

车用质子交换膜燃料电池膜电极边框研究进展

膜电极边框是膜电极的重要组成部分,随着燃料电池的发展,膜电极边框也越来越受到重视。对目前边框应用的材料进行了总结,将膜电极边框的结构按照使用边框的层数进行了分类,阐述了每种边框结构的封装方式。对边框测试方法进行了综述,对比了不同边框材料的物理性能,分析目前聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)材料成为主流的原因,并对边框不同胶层的耐久性做了试验。试验结果表明,压敏胶层的耐久性能更好。

气体扩散层压缩对膜电极性能的影响探究

质子交换膜燃料电池膜电极中,气体扩散层压缩率同时影响着电荷传导和水、气传输,进而对膜电极性能产生重要影响。本文通过对不同气体扩散层压缩率(17.5%~35.5%)下膜电极欧姆电阻、质子电阻及氧传输阻抗等电化学特性和极化性能的研究,同时基于弛豫时间分布法对不同压缩率下电化学阻抗数据进行拆解分析。结果表明气体扩散层压缩对膜电极性能的影响主要集中在接触电阻和氧扩散阻力两方面。GDL的压缩,使其内部结构趋于致密,孔隙率和孔道尺寸减小,并增强了与催化层的接触,进而使接触电阻减小而氧扩散阻力增大。GDL压缩率设计应兼顾界面接触电阻与气体扩散阻力。

电化学沉积法和喷涂法制备PEMWE膜电极的工艺对比

为了制备不同结构和性能的质子交换膜电解水(PEMWE)膜电极(MEA),利用电化学沉积法和喷涂法两种工艺分别制备PEMWE膜电极.分析两种工艺制备的膜电极形貌结构和电化学性能的差异.结果表明,电化学沉积法制备的膜电极铂催化剂呈均匀片状结构,而喷涂法的Pt催化剂呈圆形颗粒状,两者都能均匀分布于催化层上.测试极化曲线发现不同工艺膜电极性能也各有差异,0.5 A/cm^(2)电流密度下槽电压相差200 mV,最大差异可达340 mV.最后对喷涂工艺的油墨进行改进,膜电极性能随着离聚物含量减小稳步提升.

具有均匀表面的二维金膜电极界面吸附SERS光谱研究

表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种表界面物种分析和检测的强有力技术,能够提供低至单分子水平的非破坏性和超高灵敏性的分子指纹振动信息,在表面科学、生物科学及分析科学等领域发挥重要作用。然而SERS技术在实际应用上仍然面临严峻的挑战,SERS技术实际应用的拓展仍依赖于一种高活性、高稳定性、高重现性以及较好的均匀性的SERS基底。在通过气-液界面组装二维膜SERS基底电极,以振动频率对表面电势十分敏感的KSCN为探针分子,开展了表面增强活性及表面电势均匀性研究,并与传统电化学粗糙金电极性能对比。结果表明二维金膜基底可视为一种高度均匀的、且高重现性的SERS基底,适合于电化学SERS研究。

高精度无损质子交换膜燃料电池膜电极Pt载量与分布测试方法

随着质子交换膜燃料电池商业化的推进,为提高膜电极制造的可重现性,保障膜电极制造工艺的产品控制,需要Pt载量和分布无损高精度在线检测提供技术支撑。根据欧姆定律与焦耳定律,利用质子交换膜燃料电池膜电极在直流激励电压下产生的电流密度和热分布信号可以对膜电极电阻进行分析,通过膜电极Pt载量与其电阻的关系就可以实现膜电极Pt载量和空间分布分析。通过不同直流激励电压下电流测试,证明了膜电极电阻与Pt载量反相关,Pt载量定量表征精度为0.0008~0.0025 mg/cm2;利用红外热成像法对直流激励电压下膜电极热分布信息的采集成功实现了Pt载量分布的定性分析;最后,通过直流激励前后膜电极性能的对比证明了该方法对膜电极性能是无损的。高精度无损的直流激励测试方法可以实现膜电极Pt载量的高效在线测试,提高膜电极质量和制造效率,降低膜电极制造成本,对于质子交换膜燃料电池大规模商用具有重要意义。

燃料电池膜电极中铂担载量测试方法研究

膜电极(MEA)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的能量转换单元,在催化剂作用下将化学能转化为电能。铂基催化剂目前仍是商用PEMFC不可替代的催化剂,其中膜电极中铂担载量已成为PEMFC性能评价的一项重要指标。通过对现有PEMFC膜电极铂担载量测试国标方法进行了改进,并研究了PEMFC膜电极铂担载量测试的微波消解前处理方法。与国标方法相比,微波消解-ICP-MS法测定结果的准确性与标准方法相当,测试效率明显提高。

碳基膜电极材料制备及其在水处理中的应用

传统水处理工艺并不能有效地净化水体,为了提高水的质量,通常采用深度水处理技术对水中大分子有机物进行处理。膜分离耦合电化学高级氧化法近年来因操作简单、能耗低、稳定性高、适用性广被认为是一种有前途的、普遍的处理技术,而作为决定膜电极性能的关键,膜材料成为探索高性能膜的研究热点。本文综述了碳基膜电极材料的制备和在水处理中的应用,概述了真空抽滤法、烧结法、湿纺法的制备流程、技术难点和相应研究进展,分析了所制备碳基膜电极在水处理中的实际应用。根据各制备方法存在的问题,提出了碳基膜电极制备的发展趋势,为推动电催化膜的相关研究提供参考。

管式膜电极在高浓度难降解废水中的试验研究

针对江苏某晚期污泥填埋场渗滤液氨氮含量高的特点,采用管式膜电极电催化氧化方法处理,探究了RuO_(2)管式膜电极的处理效果,通过中试试验考察装置的运行参数及处理能力。结果表明:在pH值约为8、水力停留时间为15.7 h、循环量为1.5 m^(3)/h时,可实现进出水氨氮降解率达到80%左右,氨氮去除速率可达到19.8 g/h。管式膜电极相比于普通电极的处理效率提升约13%;针对本项目水质,在最佳条件下由于电导率的升高导致的电压降低,进而使运行成本降低10%左右。

车用质子交换膜燃料电池膜电极关键材料与结构设计进展

各国氢燃料电池汽车已逐渐开始商用,但是氢燃料电池成本高、寿命差等问题仍未解决。从材料与结构出发,重点阐述了膜电极关键材料性能要求、研究进展、模拟仿真和重点企业方面内容。研究结果表明超薄高温低湿质子交换膜、高稳定性低铂催化剂以及高透氧离聚物能有效改善燃料电池膜电极的性能,并在当前实践中得到了应用。同时,在总结现阶段氢燃料电池膜电极研究进展的基础上,指出当前膜电极研究中的发展趋势和不足,并为膜电极产品开发和产业化提出了新的发展思路。

电活性MXene膜电极构造原理与水质净化应用研究进展

电活性膜净水技术可借助电化学反应和膜分离的耦合协同作用实现对污染物的短流程高效去除,具有传质效率高、能耗低、抗污染、适应性强等优势,在水处理中展现出巨大的应用潜力。为深入研究电化学水处理技术机理,围绕电活性MXene(E-MXene)膜电极的构造原理与水质净化应用,以典型的MXene及其复合膜电极材料为例,对E-MXene膜电极的构筑原理、策略及其在水质净化领域中的应用研究进行了综述,之后对E-MXene膜电极在重金属去除、油水分离、脱盐及耦合处理技术等领域的研究进展进行了系统性回顾,并对E-MXene膜技术在水处理领域的未来发展趋势进行了展望。