聚苯并咪唑/磷酸掺杂高温质子交换膜的研究进展

随着燃料电池技术的高速发展,提升燃料电池的性能和寿命,降低整个系统的成本成为制约其推广应用的瓶颈问题。质子交换膜作为质子交换膜燃料电池的核心元件,对整个系统的运行起着至关重要的作用。聚苯并咪唑质子交换膜可用于高温燃料电池系统,增强电池对杂质的耐受度,简化水热管理,进而降低电池的使用成本,是一种理想的Nafion替代材料。但传统的聚苯并咪唑质子交换膜负载磷酸后机械强度下降,在电池运行过程中磷酸易流失,导致电池性能的衰减。本文综述了近些年来不同研究者从不同角度制备的聚苯并咪唑质子交换膜,归纳可以借鉴的策略,为后续的研究提供参考。

ABPBI/SPEEK高温质子交换复合膜的制备与表征

采用溶剂蒸发法制备聚(2,5-苯并咪唑)/磺化聚醚醚酮(ABPBI/SPEEK)高温质子交换复合膜。考察了SPEEK的掺入对ABPBI/SPEEK质子交换复合膜的结构及性能的影响。结果表明,ABPBI膜和ABPBI/SPEEK复合膜在高温下的热稳定性能良好;随着SPEEK的掺入,ABPBI/SPEEK复合膜有更好的氧化稳定性和机械性能,ABPBI/SPEEK(20%)复合膜在芬顿试剂中96 h后的质量损失为0.84%,其拉伸强度为120.51 MPa,相较于Nafion 117膜明显提高;ABPBI/SPEEK(20%)复合膜的酸掺杂率为186.68%,该膜在160℃、0%RH时的质子电导率为3.4 mS/cm,约为ABPBI膜的1.78倍。

高温质子交换膜燃料电池动态性能测试教学实验设计

该文结合科研热点,设计了具有创新性和研究性的“高温质子交换膜燃料电池动态性能测试实验”。实验研究了阳极流动和死端模式下高温质子交换膜燃料电池在阶跃电流条件下的动态响应。从实验理论基础、实验平台搭建、性能测试方法及内容、实验结果探讨分析等方面,展示了科学研究的全过程。该实验旨在培养和提升学生的实验素养、科研能力、创新能力和实践能力。

高温质子交换膜水电解用Nafion/BN复合膜的制备与性能研究

在研究高温质子交换膜水电解系统时,膜脱水引致质子传导率降低的情况是造成电解性能较低的主要问题。针对该问题,引入了氮化硼(BN)作为一种无机吸湿改性剂。通过采用掺杂浇铸技术,成功制备了Nafion/BN复合膜。氮化硼的卓越吸湿能力,以及其表面碱性基团与Nafion分子链上磺酸基团之间的酸碱相互作用,共同形成了一个密集的氢键网络,从而推进质子的传递。扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量散射光谱(EDS)的分析结果验证了氮化硼在复合膜中的均匀分布。吸水率的测试结果显示,BN的引入显著增强了复合膜的水吸附能力。通过质子电导率的测试,证实BN的掺杂显著提升了复合膜的质子电导率。在130℃的高温条件下,采用Nafion/BN复合膜构建的水电解装置表现出了卓越的电解效能,尤其是在2.0 V电压下,电流密度达到2.04 A/cm^(2),表明Nafion/BN复合膜在高温质子交换膜水电解领域内具有一定的发展潜力。

燃料电池用磷酸掺杂高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有高温下电极反应动力学快、催化剂抗毒化能力强及水热管理简单的优点,是当今燃料电池的重要研究领域之一.作为HT-PEMFC的关键部件,高温质子交换膜直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.磷酸掺杂型高温质子交换膜因其高温低湿或无水条件下较高的质子电导率、良好的化学稳定性及热稳定性等而成为高温质子交换膜材料的研究热点.但是,在实际应用过程中,其面临质子电导率与力学性能难以协同兼顾以及磷酸流失等问题.结合本课题组及国内外的文献报道,本文综述了磷酸掺杂高温质子交换膜的研究现状、关键科学问题及解决策略,展望了HT-PEM的未来发展方向.

高温质子交换膜材料的研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)凭借水管理系统简单、零碳排放和高效率的优势,有望发展成为下一代车用动力系统。然而,HT-PEMFC中的聚苯并咪唑(PBI)膜需借助磷酸传递质子(H^(+)),导致PBI溶胀,机械性能下降;游离的磷酸分子容易发生扩散,毒化催化剂,堵塞电极的多孔介质;且PBI聚合物极易被不完全反应产生的羟基自由基氧化,导致电池稳定性衰减。目前,国内外研究学者提出了不同的解决策略。然而,电池内是一个复杂的电化学体系,先进的膜材料及结构仍有待进一步深入研究。本综述简要介绍了HT-PEMFC中导致膜降解的机理,重点探讨了防止高温质子交换膜磷酸损失、氧化降解和机械降解的最新研究进展。最后,提出了石墨烯等二维材料将发挥巨大的优势,使高温质子交换膜材料的研究向增强型、超薄化方向发展。

磷酸掺杂的ab-PBI膜及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用

以3,4-二氨基苯甲酸为单体合成了ab-聚苯并咪唑. 研究了磷酸掺杂的该质子交换膜在80～200 ℃, 不同湿度以及不同酸掺杂量下的质子电导率. 该质子交换膜可作为燃料电池的膜电解质, 在常压不增湿的条件下, 可使电池运行温度达到200 ℃.

磷酸掺杂咪唑金翁盐聚苯醚基高温质子交换膜的制备和性能

以强度高、加工性能好的聚苯醚为原料,制备耐高温Bronsted酸碱对型质子交换膜。采用自由基反应合成不同溴化度的溴化聚苯醚(BPPO),再与N-甲基咪唑(Im)反应生成咪唑金翁盐聚苯醚,最后通过掺杂磷酸(PA)制备了BPPO-Im/PA膜。利用核磁共振谱和红外光谱对膜的结构进行表征,计算得到溴化度分别为15.33%、28.66%、36.07%。随溴化度增加,接枝的Im量增加,吸附磷酸量增加,电导率先升高后降低,力学性能逐渐降低。溴化度为28.66%的B2-Im/PA膜综合性最好,该膜在200℃内使用时热稳定性良好,拉伸强度为5.2 MPa,160℃时电导率达到了0.054 S/cm,提高了将近一半。

TBHQ抗氧剂对全氟磺酸质子交换膜的耐久性影响

系统研究了一种低成本工业抗氧剂-特丁基对苯二酚(TBHQ)对全氟磺酸(PFSA)质子交换膜耐久性的影响,由于这种抗氧剂不会结合磺酸基造成质子传导能力损失,且迁移率低,因此有望在维持膜性能的同时提供优异的耐久性.首先通过流延法制备了PFSA/TBHQ复合膜,确定TBHQ最佳添加量为质量分数1%,膜的最适热处理温度为140℃,利用扫描电子显微镜、万能拉力试验机、热重分析仪、电化学工作站和燃料电池测试仪等多种仪器研究了膜的结构与性能.Fenton加速氧化性测试结果表明,降解24 h后复合膜的质子传导率比纯膜高45.1%;将膜制备成膜电极并利用开路电压保持法测试了膜电极的耐久性,结果表明,经过48 h的开路运行之后,复合膜的最大功率密度比纯膜高28.48%,同时膜电极寿命也显著提升.

高温质子交换膜燃料电池系统可靠性分析

可靠性是影响高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)系统结构设计及实用化程度的重要指标之一。使用可靠性框图和采用马尔可夫模型的状态空间法分析了HT-PEMFC系统的可靠性,其中可靠性框图用于评估不可修复系统的可靠性,根据HT-PEMFC系统的可靠寿命及辅助系统各组件可靠性数据,评估了燃料处理器和燃料电池电堆的故障率及平均工作时间(MTTF)。采用马尔可夫模型的状态空间法用于评估可修复系统的可靠性,在1 000 h后系统可靠性为93.49%,3 000 h后系统可靠性保持稳定,约为92.20%,表明系统维护有利于提高系统的可靠性;此外若增加系统各组件的维护频率(修复率),可大幅提升系统在额定功率状态的概率和系统的可靠性。

磷酸掺杂型高温质子交换膜燃料电池关键材料研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)由于较高的工作温度(130~220℃),具有较快的电极反应动力学、较强的抗燃料/空气中杂质毒化能力、广泛的燃料来源(甲醇重整气、工业副产氢等)及简单的水/热管理系统等优点。因此,HT-PEMFC将成为聚合物膜燃料电池的重要前沿发展方向之一。重点介绍了北京航空航天大学团队近十年来在HT-PEMFC关键材料-高温膜、催化层和膜电极等方面的研究进展,针对磷酸(PA)掺杂型高温膜的质子传导率和机械性能之间的最佳平衡点、催化层中PA分布和迁移对电池性能的影响机制,以及大尺寸膜电极一致性对电堆性能影响与衰减机制等科学问题,从聚电解质膜材料的分子设计、有序催化层结构调控和大尺寸膜电极电堆优化等工作进行了梳理,对HT-PEMFC技术所面临的技术挑战问题与未来发展趋势做出了评述和展望。

Sn掺杂CeO_(2)中Ce^(3+)的形成机制及其对质子交换膜燃料电池耐久性的影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中,产生的自由基会攻击质子交换膜,使其开裂或形成孔洞,导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此,本文合成了Sn掺杂CeO_(2)自由基清除剂,通过提高Ce^(3+)浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能,避免PEM厚度迅速减薄,从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明,Sn掺杂会引起CeO_(2)产生晶格畸变,降低氧空位形成能,促进CeO_(2)中Ce^(3+)的形成。同时,Sn^(2+)的加入可将CeO_(2)-Sn样品中的Ce^(4+)还原为Ce^(3+),提升Ce^(3+)的浓度,从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明,经70 h的开路电压衰减测试,CeO_(2)-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%),且功率保留率(56%)比其他样品更高,表明该样品具有更优异的耐久性。

燃料电池高温质子交换膜的研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)由于具有简洁的水热管理,高的一氧化碳耐受性而具有广阔的应用前景。高温质子交换膜(HTPEMs)作为HT-PEMFCs的核心组件,在很大程度上决定了HT-PEMFCs的性能与使用。本文针对如何改善高温质子交换膜的溶解加工性以及质子传导性进行了综述。主要介绍了主链结构设计、共混、接枝、交联、复合掺杂、膜形态修饰等方法,并提出了目前高温质子交换膜燃料电池所面临的挑战。

含磷酸结构全氟磺酸质子交换膜研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有独特的能源转化和储存方式,因此引起了科学家广泛的研究兴趣.全氟磺酸质子交换膜(PFSA)是目前低温型PEMFCs(<100℃)中应用最为广泛的关键核心材料之一,在很大程度上决定着PEMFCs的性能优劣.提高工作温度可以赋予PEMFCs更高的转化效率、更快电极反应、更高的杂质耐受能力、更便捷的水热管理方式等,然而,质子交换膜(PEM)在高温下的传质性能衰减阻碍PEMFCs的高温应用.引入磷酸结构是目前改善PEM高温传质性能常用的策略.本文总结了近年来含磷酸结构全氟磺酸质子交换膜的研究进展,并讨论了引入磷酸结构后存在的问题,为后续的高温质子交换膜的研究工作提供指导作用.

物理参数对高温质子交换膜燃料电池性能的影响研究

利用COMSOL软件建立了燃料电池三维模型,研究了工作温度、氧气浓度和膜厚度对燃料电池性能的影响。结果表明:提高工作温度可以提高燃料电池的性能,其适合的工作温度范围为160~180℃;提高氧气浓度,燃料电池的输出性能明显提高;增加膜层的厚度会降低燃料电池的输出性能,最佳的膜厚度为20~60μm。

磷酸掺杂bSPEEK-OPBI共混质子交换膜的制备及性能

为改善磷酸-聚苯并咪唑(PA-PBI)质子交换膜在燃料电池运行过程中磷酸浸出的问题以及进一步提高其质子传导率和机械强度,本文用高磺化度支链磺化聚醚醚酮(bSPEEK)与芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)进行酸碱共混,利用流延法制备磷酸掺杂质子交换膜.结果表明,共混膜中bSPEEK最佳含量为30%,共混膜的体积溶胀率降低26.5%;机械强度提高83.7%;质子传导率分别提高43.8%[160℃/0%相对湿度(RH)]和29.1%(80℃/98%RH);60℃/98%RH条件下的磷酸流失率降低48.8%.共混膜在提高机械强度和质子传导率的同时有效抑制了磷酸的流失.

磷酸掺杂磺化聚(亚芳基醚)-聚(N-乙烯基咪唑)膜电化学性能研究

使用磺化聚芳基醚(SDF-F)作为酸性聚合物、聚(N-乙烯基咪唑)(PVIm)作为碱性聚合物,合成了用于高温工作的磷酸掺杂磺化聚(亚芳基醚)-聚(N-乙烯基咪唑)(SDF-F/PVIm)质子交换膜,进行了热损失、电导率、阻抗光谱和单电池性能测试。结果表明,SDF-F/PVIm膜热稳定性良好。在无水条件下,交联膜在150~200℃具有很高的质子电导率,且电导率随着温度的升高而增加。在不同的温度下单电池的性能表现优异,在190℃时,可以获得528 mW/cm2最大功率密度,且无需外部加湿。合成的SDF-F/PVIm有望成为高温PEMFCs的新型聚合物电解质。

燃料电池用高温质子交换膜的研究进展

燃料电池是一种高效的清洁能源技术,可缓解当今社会面临的能源和环境问题。质子交换膜燃料电池是一种重要的燃料电池类型,质子交换膜是其关键组件,起到传导质子、隔绝电子和阴阳两极的反应物的作用。质子交换膜燃料电池在低温下存在许多难以解决的问题,升高工作温度可以解决这些问题。因此需要开发高温低湿度下工作的膜材料。本文综述了高温质子交换膜的主要类型、制备与改性方法和质子传导机制,指出质子导体掺杂的聚苯并咪唑(PBI)类膜材料在高温低湿度下作为质子交换膜适用的巨大潜力,并探讨了复合PBI高温质子交换膜的制备、掺杂的质子导体类型和性能提升方法。最后本文归纳了高温质子交换膜面临的挑战,并指出了该类材料未来的研究方向,如设计合成新型质子导体、改善PBI抗氧化稳定性、调控膜微观结构来提升性能和开发新型聚合物电解质。

磺化聚苯醚-磷酸锆质子交换复合膜的制备与性能研究

采用溶胶-凝胶法将磺化聚苯醚(SPPO)与磷酸锆(ZrP)复合得到质子交换膜,重点考察了ZrP含量对复合膜含水率、溶胀度和质子电导率的影响,采用红外光谱和交流阻抗法表征SPPO-ZrP复合膜的微观结构和质子电导率。结果表明,SPPO-ZrP复合膜含水率和溶胀度都随着ZrP质量分数增加而逐渐减小,当ZrP质量分数为20%时,膜的含水率和溶胀度分别达到18%和2.1%。通过交流阻抗法对质子传导性能的表征结果显示,随ZrP质量分数增加复合膜质子电导率逐渐增大,ZrP质量分数20%的SPPO-ZrP复合膜质子电导率在室温下达到1.6×10-2S/cm。

高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池解决了传统质子交换膜燃料电池催化剂易受CO等杂质气体毒化、水热管理复杂等问题,成为当今燃料电池发展的主要方向。高温质子交换膜是实现高温操作的关键部分。本文结合质子传递机理,分析了以水作为质子溶剂、非水质子溶剂质子交换膜以及无机固态质子导体膜的研究现状,认为有机/无机复合膜和非水质子溶剂膜,尤其是其中的磷酸掺杂的PBI膜是高温质子交换膜的发展方向。