质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展

气体扩散层(GDL)在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中起到支撑催化层、传输反应气体和排出反应过程中产生的水的作用,设计和优化GDL的结构对提升燃料电池的性能有重要作用。本文首先介绍了氢燃料电池应用前景,简述了PEMFC的结构和工作原理,指出了目前GDL的气液传输能力不足的问题,分析了孔结构、碳材料、微孔层微观结构、润湿性和耐久性五个因素对GDL性能的影响,并归纳了当前的研究进展,同时还涵盖了与GDL内传质过程相关的建模方法。最后总结了影响GDL性能的各种因素,并对质子交换膜燃料电池内的GDL发展进行了展望,指出用新型金属泡沫材料代替传统碳材料构建气体扩散层-双极板集成结构从而缩短传质路径并降低传质阻力,提出利用新兴的3D打印技术去构建高精度具有复杂结构的气体扩散层。本综述对未来优化GDL结构、提高燃料电池性能具有一定的指导意义。

基于巯基改性磺化海泡石与聚(2,5-苯并咪唑)原位复合的宽温域用质子交换膜

天然海泡石经微波辅助酸活化和巯基偶联剂改性得到磺化海泡石,然后原位合成制备燃料电池宽温域用聚(2,5-苯并咪唑)/磺化海泡石(ABPBI/S-Sep)复合质子交换膜。研究了海泡石改性前后结构变化,以及S-Sep粒子的加入对复合膜的微观形貌、结构、力学性能、吸水固酸能力以及高、低温下质子传导性能的影响。研究发现,海泡石粒子经微波辅助酸活化处理后产生了解纤维化,磺化改性提高了其与聚合物相容性;S-Sep纤维状粒子均匀分散在ABPBI基体中可诱导聚合物分子链取向排列,从而提高复合膜的力学性能,其特有的纳米通道结构及高比表面积显著提高了复合膜的吸水率和固酸能力。在相似磷酸(PA)掺杂水平下,复合膜在40~180℃宽温域下的质子传导率和峰值功率密度均高于ABPBI膜,并且磷酸掺杂水平为1.85的复合膜在90℃以下,60%和98%RH时质子传导性能以及80℃、0%RH时单电池性能均与Nafion 212相当,表明低磷酸掺杂水平下的S-Sep改性ABPBI复合膜具备从低温到高温且不控制湿度的宽温域使用优势,可拓展基于PA掺杂聚苯并咪唑类膜材料的使用温度范围。