碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能

燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置,被认为是构建未来社会可再生能源结构的关键一环。不同于质子交换膜燃料电池(PEMFC),碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)的出现使非贵金属催化剂的使用成为可能,因而受到了日益广泛的关注和研究。APEFC的关键结构是膜电极,主要由聚合物电解质膜和阴阳极(含催化层、气体扩散层)组成,膜电极是电化学反应发生的场所,其优劣直接决定着电池性能的好坏。因此,基于现有的碱性聚合物电解质及催化剂体系,如何构筑更加优化的膜电极结构,使APEFC发挥出更高的电池性能是亟待开展的研究。本文首先通过模板法在碱性聚合物电解质膜的表面构建出有序的锥形阵列,再将具有阵列结构的一侧作为阴极来构筑膜电极,同时,作为对比,制备了由无阵列结构的聚合物电解质膜构筑而成的膜电极,最后对基于两种不同膜电极的APEFC的电化学性能进行了对比研究。实验结果表明,锥形阵列结构可以将APEFC的峰值功率密度由1.04 W·cm^(−2)显著提高到1.48 W·cm^(−2),这主要归因于在APEFC的阴极侧具有锥形阵列结构的聚合物电解质膜的亲水性的提升和催化剂电化学活性面积的增加。本工作为碱性聚合物电解质燃料电池的膜电极结构设计与优化提供了新思路。

高温聚合物电解质膜燃料电池催化剂的研究进展

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFCs)是一类将化学能转换为电能的能量转换装置,与传统的低温聚合物膜燃料电池相比具有诸多优势.目前HT-PEMFCs主要是以铂作为催化剂.铂基催化剂对于燃料电池氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)有好的催化活性,但在HT-PEMFCs中通常需要高载量的铂基催化剂,以缓解磷酸在铂表面强吸附对活性表达的限制,其存在成本高、活性不足、长时间运行下活性降低及载体腐蚀等问题.本文总结了最近关于HT-PEMFCs催化剂的研究进展,系统分析了贵金属、非贵金属催化剂在HTPEMFCs中的应用前景,并对现阶段HT-PEMFCs催化剂的发展应用进行了展望.

介孔碳载体缓解碱性聚电解质燃料电池阳极水淹

碱性聚电解质燃料电池(APEFCs)相较于目前研究最多的质子交换膜燃料电池(PEMFCs),其优势体现在阴/阳两极均可使用价格低廉的非贵金属催化剂,有望降低燃料电池的使用成本.APEFCs的研究在过去20年飞速发展,主要集中在高效碱性聚电解质(APE)隔膜和阴/阳极催化剂等关键材料的研发.目前,APEFCs的性能已接近于PEMFCs,针对其研究也逐渐从关键材料的研发扩展到电池的稳定性和水管理等更深层次问题.相较于PEMFCs,APEFCs的水管理问题更为复杂.每当阳极产生4个水分子,阴极会消耗2个水分子,容易导致阴极缺水和阳极水淹,进而影响电池的性能和稳定性.对APEFCs水管理的优化将是实现电池性能和稳定性突破的重要方向.本文主要研究碳载体对APEFCs水管理的影响,合成了一系列介孔碳负载的Ru催化剂(Ru/MCP-x,x为MCP的孔径,x=30,50,100 nm),并以Ru/XC72催化剂为对照.扫描电镜和N2吸附-脱附结果表明,介孔碳载体具有三维贯通的孔结构,而XC72为实心碳颗粒.溶液电化学测试结果表明,不同催化剂在0.1 mol/L的KOH溶液中的氢氧化反应(HOR)活性相当.以Ru/MCP-x和Ru/XC72为阳极催化剂进行电池装配(记为Ru/MCP-x电池和Ru/XC72电池),结果表明,当使用高进气流量(1000 mL/min)时,Ru/MCP-x电池和Ru/XC72电池性能接近;当使用更接近实际工况的低进气流量(200 mL/min)时,所有电池性能均有所下降,且降幅存在明显差距.其中,Ru/MCP-50电池和Ru/MCP-100电池的降幅分别为36%和35%,而Ru/MCP-30电池和Ru/XC72电池的降幅分别为43%和72%.通过在低进气流量下改变进气湿度,结果发现,Ru/MCP-30电池和Ru/XC72电池性能大幅下降的原因是阳极发生水淹.弛豫时间分布(DRT)方法可以将不同弛豫时间的极化过程在时域中分离开来,从而可以分辨各极化过程对电池性能的影响.利用电化学交流阻抗(EIS)技术结合DRT方法进一步分析各电池在不同电流密度下的阻抗行为,DRT结果表明,在低进气流量下Ru/XC72电池的传质极化电阻显著高于Ru/MCP-x电池,说明阳极水淹导致了Ru/XC72电池的气体传质受阻,因而电池性能大幅下降.当MCP孔径增加至50和100 nm时,传质极化电阻在不同电流密度下始终处于较低水平,电池未发生明显水淹.这说明孔径的增加有效地缓解了低进气流量下阳极的水淹问题,从而保持较高的电池性能.综上,本文利用EIS-DRT方法比较了不同阳极碳载体对APEFCs性能和气体传质极化电阻的影响,表明介孔碳载体有利于缓解APEFCs中的阳极水淹问题,具有作为阳极载体的潜力.

SDC/YSZ/GDC复合电解质膜燃料电池研究

在钐掺杂的氧化铈(SDC)主电解质层上利用射频磁控溅射法沉积了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电子阻隔层和钆掺杂的氧化铈(GDC)化学隔层,制备了SDC/YSZ/GDC多层复合电解质膜及电池。对复合电解质膜的固体氧化物燃料电池进行了物相分析、微观结构表征和电化学性能测试。结果表明,复合电解质膜有效提升了电池的开路电位(OCV)和最大输出功率密度,这是因为复合电解质膜具有较高的离子电导率和电子电阻。

石墨相氮化碳在聚合物电解质膜中的研究进展

燃料电池因具有能源转换效率高、近零污染、低噪音等优点受到广泛关注。聚合物电解质膜作为燃料电池的重要组成部件之一,其性能优劣决定了电池的实际表现。为解决聚合物电解质膜在稳定性及离子传导率方面存在的不足,无机纳米材料掺杂作为常规的改性手段应用到聚合物电解质膜材料中。近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_4)因其独特的结构特征和优秀的物化性能,被广泛应用于聚合物电解质膜材料的制备和改性。本文主要综述了g-C_(3)N_4的结构和性质,总结了g-C_(3)N_4基复合膜的制备方法,重点对目前g-C_(3)N_4在聚合物电解质膜中的研究和应用情况进行了综述,展示了其在聚合物电解质膜改性方面的重要成果,并对其在该领域未来的发展做出展望。

1~5 kW高温聚合物电解质膜燃料电池堆的理论模拟与组装测试

以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm2)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象,通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示,当电堆的单池数量从10片增加至60片时,平均单池电压从0.6414 V略微降低至0.6404 V,且单池之间电压极差从1.8 mV增加至6.5 mV;单池间的平均工作温度从431.01 K升高至433.90 K,且每单池自身工作温度的极差从6.95 K增加至10.22 K。表明随着电堆单池数量的增加,电堆的平均单池电压呈轻微下降趋势,且单池间电压极差变大,单池电压一致性有所下降,单池间的温差变大,其单池自身的均温一致性也有所降低,电堆热管理难度增加。在模拟结果的指导下分别组装了30、60和120片单池的高温膜燃料电池堆,在氢/空干气、33 A的恒流放电条件下,测得30、60和120片单池电堆的平均单池电压分别为0.6566、0.6548和0.6552 V,单池极差从24 mV增加到59 mV,与模拟结果显示出良好的一致性,验证了模拟结果的有效性。在氢/空干气计量系数为1.5/2.5的操作条件下,展示出了优异的输出性能,三个电堆在80 A电流放电时的输出功率分别达到1.35、2.64和5.28 kW。研究结果可为千瓦级高温聚合物电解质膜燃料电池堆的设计和组装测试提供理论和实践指导。

基于互穿网络技术构筑环境友好型聚合物电解质膜及其电化学性能

以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为反应型乳化剂,丙烯酸丁酯(BA)、丙烯腈(AN)和丙烯酸(AA)为单体,利用互穿网络技术通过乳液聚合法制备了环境友好型聚合物电解质膜(M-ABAA),采用FTIR、XPS、SEM、TEM和TG对M-ABAA进行了表征;通过CV、EIS和充放电测试考察以M-ABAA为电解质膜组装的CR2032电池的电化学性能。结果表明,当m(AMPS)∶m(BA)∶m(AA)∶m(AN)=1∶3∶2∶2时,制备的M-ABAA(M2)的离子电导率为0.98 mS/cm,抗拉强度为7.53 MPa,断裂伸长率为90.4%,吸液率为150%,热收缩率为4%。M2与目前锂离子电池主流的正负极材料(LiCoO_(2)、LiMn_(2)O_(4)、LiFePO_(4)、NCM811)具有较好的相容性,普适性较好。以M2为电解质隔膜,金属锂为负极,分别以LiCoO_(2)和石墨为正极组装成半电池,0.2 C倍率下的首次放电比容量分别为141.3和347.1 mA·h/g,100圈循环后容量保持率分别为94.8%和85.0%;2.0 C倍率下,放电比容量分别为119.8和239.0 mA·h/g。

聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究

聚合物电解质膜燃料电池是绿色环保的能源利用技术,电池内部的水热平衡对电池性能至关重要。通过雾化冷却实验、非持续雾化实验、雾化激活电池实验,探究雾化对聚合物电解质膜燃料电池性能和寿命的影响。结果表明:与不使用雾化相比,100 mL/h的雾化量可以将电池内部平均温度降低10℃;非持性雾化后,在全工作电压范围内的电池性能得到明显提升。与未使用雾化相比,在6.0 V条件下雾化20 min的电池的电流输出增加20%。雾化技术还可以重新激活搁置的电池;雾化协同送风使电池性能几乎重新恢复到出厂前的状态,同时促进了电池高电流输出时的稳定性。电池极限输出功率比出厂前高出约24.9%。

用于燃料电池的季铵基团的PVA/PAADDA碱性聚合物电解质膜的制备及稳定性

通过聚合物交联共混法制备了具有化学交联结构的聚乙烯醇/二甲基二烯丙基氯化铵和丙烯酰胺共聚物(PVA/PAADDA)碱性聚合物电解质膜.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TGA)和交流阻抗等方法考察了PVA/PAADDA膜的分子结构、微观形貌、热稳定性、耐碱稳定性、尺寸稳定性和电导率.红外光谱分析结果表明,PAADDA成功地混入PVA基体中.SEM分析结果表明,当m(PVA)∶m(PAADDA)<1∶1时,膜外观致密,均匀,未观察到明显的微相分离.TGA结果表明,PVA/PAADDA碱性复合膜热分解起始温度为210℃,高于其它季铵基团的碱性聚合物电解质膜(20～90℃).PVA/PAADDA碱性复合膜经高温、高浓度碱溶液(80℃,6 mol/L)处理后,仍表现出很好的耐碱稳定性.由于膜内形成致密的内互交联网络结构,使得PVA/PAADDA膜经60℃水处理300 h后同样表现出优良的尺寸稳定性和电导率稳定性.室温下PVA/PAADDA碱性复合膜的甲醇渗透率为10-7 cm2/s数量级以上,比Nafion 115膜低一个数量级.

碱性固体燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展

最近,碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEMFC)因具有电极反应动力学快以及不依赖于贵金属铂催化剂等诸多优点而成为一个热门话题.作为其中一个关键部件,碱性聚合物电解质膜直接影响燃料电池的性能和成本.然而,迄今为止,仍然没有令人满意的碱性电解质膜材料.为此,大量研究被开展和报道.本文综述了近三年内文献中关于燃料电池碱性聚合物电解质膜的最新研究进展:包括各种各样的合成策略,构效关系,水管理以及非原位或原位稳定性测试等等.尤其是一些新的金属离子基阴离子交换膜和冠醚基阴离子交换膜首次被提及和评论.此外,还进一步预测了将来的发展趋势.

用于聚合物电解质膜燃料电池中的质子导电膜

聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC)是 2 0世纪 6 0年代兴起的第五代燃料电池 ,以其诸多优点正引起人们越来越多的关注和研究。其中作为电解质的功能高分子膜是这类燃料电池的“心脏”,起着隔离阴阳极、绝缘电子和选择性输运质子的作用。它的性能决定着 PEMFC的输出功率、电池效率、成本及应用前景。文中对这类膜材料 (包括全氟磺酸膜、掺杂酸型膜及接枝型磺酸膜等 )的结构、性能及发展现状作了综述 ,并指出在膜材料上的突破将使燃料电池成为 2

高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展

综述了近十几年来高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用进展,指出了此类电解质目前存在的亟待解决的两个问题:咪唑类离子液体毒化Pt基催化剂和复合膜中离子液体的长期稳定性。最后对高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的发展前景作了展望,即开发与Pt基催化剂相容的离子液体聚合物电解质以及预防复合膜内离子液体的流失,即提高高温质子交换膜燃料电池的性能及长期稳定性,最终提高高温燃料电池的寿命。

聚合物电解质膜燃料电池电催化剂的进展

评述了近年来聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)电催化剂的进展,其中包括核/壳结构、中空结构等结构及形状可控的Pt基催化剂、非贵金属催化剂及石墨烯、有序介孔碳等新型载体,并对发展前景进行了展望。

燃料电池聚合物电解质膜

本文简要介绍了聚合物电解质膜燃料电池的定义、分类、工作原理及其特点,综述了国内外在燃料电池聚合物电解质领域的最新成果。对质子传导率与甲醇渗透系数的关系进行了初步探讨,详细评述了近年来AAPEM和ACPEM这两类聚合物电解质膜的研究进展,并对今后的研究趋势作了展望。

用于高温质子交换膜燃料电池的聚合物电解质膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池在降低燃料电池水热管理复杂性、催化剂中毒方面有明显优势;可改善电池阴阳两极尤其是阴极氧气还原反应的动力学特性,提高电池的效率。聚合物电解质膜作为关键材料之一,在高温时易失水导致质子传导率降低、机械强度和热稳定性不高等问题。本文基于磺酸、磷酸和离子液体等不同质子传递介质,对高温聚合物电解质膜进行综述,比较了各类聚合物电解质膜的优缺点及应用时存在的问题,着重探讨嵌段共聚物在高温聚合物电解质膜方面的潜在应用,指出离子液体的添加不但可作为质子载体,而且在构建嵌段聚合物结构方面可发挥"诱导剂"作用。提出通过分子设计可更好了解嵌段聚合物的空间构效关系,进而通过结构设计提高膜的质子传导性能和稳定性。

聚合物电解质膜燃料电池空气供应系统故障诊断

聚合物电解质膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC)空气供应系统中的故障通常会导致系统性能衰减甚至对电堆造成损害.针对PEMFC空气供应系统的故障诊断问题,提出了一种基于改进的人工蜂群算法(IABC)优化支持向量机(SVM)的故障诊断方法.采用文献中的非线性燃料电池系统模型,并在系统中加入方差为1的高斯噪声.通过引入Levy飞行策略,对标准人工蜂群算法(ABC)进行改进,提高了人工蜂群算法的全局搜索的能力,进而通过改进的人工蜂群算法优化支持向量机的惩罚因子C和核函数参数g,利用优化后的SVM分类器模型对PEMFC空气供应系统进行故障诊断研究.结果表明,该IABC-SVM算法故障诊断的准确率达到96.12%,具有良好的故障诊断效果.

碱性电池用准固态聚合物电解质膜

用乳化浸渍的方法,由交联聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、氢氧化钾和水制备了准固态复合聚合物电解质(QSPE)膜。QSPE膜的室温离子电导率可达10-3S/cm数量级,可作为固态碱性电池的隔膜使用。研究了其组成、无机盐和纳米CeO2添加剂对QSPE膜离子电导率的影响及电解质膜的热稳定性。添加Na2SO4或1.0%的纳米CeO2,可使膜的离子电导率在55℃时,提高到10-2S/cm数量级;添加无机盐或纳米CeO2,膜的热稳定性较好。

改性磺化聚醚醚酮用作直接甲醇燃料电池聚合物电解质膜

1引言 聚合物电解质膜燃料电池（Polymer electrolyte membrane fuel cell，PEMFC）是一种能直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的电化学装置，具有能量转换效率高、环境友好、比能量高（相对于电池）、操作温度低、启动快的特点，可广泛应用于汽车、电站、移动电源等领域。聚合物电解质膜则是PEMFC中的核心部件，起着分隔燃料和氧化剂、传导离子和绝缘电子的作用，一直以来都是燃料电池研究领域的热点。

用于燃料电池的聚合物电解质膜及其改性方法

聚合物电解质膜是质子交换膜燃料电池的核心部件.目前广泛使用的全氟质子交换膜(如Nafion(R)系列)存在着价格昂贵、使用温度有限、甲醇渗透率高以及降解再生困难等缺点.对聚合物基质材料进行物理或化学改性,可以提高质子传导率、改善机械强度等性能,获得高性能、低成本的质子交换膜.从聚合物材料改性的角度,综述了燃料电池用聚合物电解质膜的制备方法和电化学性能,并对各种改性方法进行了比较.

聚合物电解质膜燃料电池用电催化剂的研究进展

电催化剂是燃料电池的重要组成部分,也是降低燃料电池成本的关键之一。着重于催化机理,综述了近年来国内外聚合物电解质膜燃料电池用电催化剂的最新研究进展。