天津大学先进内燃动力全国重点实验室副研究员刘鑫 研发燃料电池离子交换膜 共谱清洁能源新华章

面对不可再生能源消耗和全球性环境危机,人类对清洁能源的需求不断增加。我国提出“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的国家战略发展目标,旨在引领世界经济走向绿色健康发展。这对我国科研学者提出了新的挑战,他们迅速响应国家政策。

离子交换膜燃料电池初步研究

离子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究与应用开发再度兴起,并取得了突破性进展,使人们意识到这一电池技术在能源应用领域中前景广阔.本文简要介绍利用航天氢氧燃料电池(碱性燃料电池)研究工作经验和技术积累,探索离子交换膜燃料电池的电极立体化过程、电极与离子膜“三合一”组件制备工艺条件以及使用国产离子膜作为电解质的单电池运行条件与实验结果.

离子交换膜燃料电池汽车

本文综述了离子交换膜燃料电池汽车应用发展背景，现状及商业化前景，探讨了离子交换膜燃料电池及其系统关键技术．

氟塑料薄膜在光伏电源和燃料电池中的应用——PVDF电池背板膜及全氟磺酸离子交换膜的制作与应用

简述了氟塑料薄膜在光伏电源和燃料电池中的应用。分别论述了太阳能电池背板用PVDF膜和全氟磺酸离子交换膜的制作、应用以及国内外的研究现状,以及本科研室在相关领域的最新研究成果。

氢能发电技术的研究(Ⅰ)——铂碳复合电极材料对离子交换膜燃料电池放电性能的影响

离子交换膜燃料电池是氢能应用开发的重要研究领域。研究了离子交换膜燃料电池用的铂碳复合电极制备工艺和碳材料的选择对燃料电池电化学性能的影响。研究结果表明 ,铂碳复合电极的制备工艺对燃料电池放电性能有重要影响 ,采用刷涂法和物化法制备的铂碳复合电极所组装的燃料电池具有较好的电化学性能。研究结果还发现 ,复合电极中碳材料的微观结构也是影响燃料电池电化学性能的重要因素 ,碳材料的比表面积越大 ,燃料电池的放电性能就越好。

离子交换膜燃料电池技术的发展和应用前景

介绍了世界上离子(质子)交换膜燃料电池的最新进展.目前,已商品化的单体电池有效工作面积780cm^2,铂催化剂载量1～4mg/cm^2,工作温度80℃,采用纯氢和纯氧为燃料和氧化剂,工作压力为1.03×10~5～4.48×10~5Pa,工作电流密度为500mA/cm^2时,电池工作电压可达0.7V,工作寿命可达10000～20000h.这种电池在潜艇、飞船及电动汽车等领域有良好的应用前景.

库仑滴定法测定燃料电池中质子交换膜的离子交换当量

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分,可利用其实现氢能转化为电能的输出,质子交换膜已成为国内外能源化学的研究热点[1-2]。目前市场供应的质子交换膜多以磺酸基团(-SO3H)为质子传递单元,若要提高质子交换膜的电导率,则必须增大质子交换膜上磺酸的含量。相关行业以离子交换当量衡量质子交换膜内酸的含量,质子交换膜的离子交换当量越低,膜上质子传导率越高,内电阻越小,利用其制备得到的燃料电池性能越好。

离子交换膜燃料电池铂碳复合电极材料塔菲尔常数测试分析

利用极化曲线测试法分析了不同碳材料和不同方法制备的铂碳复合电极的塔菲尔常数。不同碳材料制备的铂碳复合电极塔菲尔常数值呈现出一定的差别 ,并且按碳材料的一定排列次序 ,铂碳复合电极的塔菲尔常数a值和b值都呈现出了规律性的递减 ,其中a值递减相对较大 ;另外 ,不同方法制备的铂碳复合电极塔菲尔常数也呈现出了较大的差别 ,其中离子溅射法制备的铂碳复合电极塔菲尔常数值明显低于吸附还原法和电镀法制备的铂碳复合电极。同时还测试分析了铂含量变化对复合电极塔菲尔常数的影响 ,随复合电极中铂含量增加 ,电极的抗极化能力也在增强。

面向燃料电池和液流电池的高性能离子交换膜

离子交换膜中离子的快速、选择性传递是发展高性能燃料电池和液流电池亟需解决的关键科学问题,离子传递过程与膜微观结构密切相关,如何通过聚合物分子结构设计在膜内部构筑高效的离子传导通道是解决这一问题的关键.从膜结构设计角度,总结了近几年针对该问题提出的离子交换膜结构设计策略,包括增加功能侧链旋转特性或引入次级相互作用诱导相分离、引入主客体相互作用构建热响应型离子通道、抑制分子链紧密堆叠构筑限域微孔通道等,并重点介绍了所制备离子交换膜的关键性质,以及这些离子交换膜在燃料电池或液流电池中的应用.

氢能发电技术的研究(Ⅲ)——离子交换膜对离子膜颜料电池放电性能的影响

测试分析了 3种不同离子交换膜材料的水存留量、溶涨率和离子导电率 ,结果表明水存留量高的膜材料溶涨率和离子导电率也相应较大。对不同离子交换膜材料的耐热和耐压稳定性测试结果发现 3种离子交换膜在2 0 0℃以下范围内都没有发生相变或其它结构性变化 ,失重率都低于 5 % ,因此 3种膜材料在 2 0 0℃以下温度范围内使用是安全可靠的。不同膜材料的耐压机械强度均随着热压处理温度升高而逐渐下降。在相同热压温度条件下的耐压强度为 :SH117B膜大于或等于Nafion117膜 ;Nafion117膜大于或等于SH117A膜。离子交换膜也是影响燃料电池放电性能的一个重要因素。Nafion117膜组装的燃料电池最大放电功率密度分别是SH117A膜和SH117B膜组装的燃料电池最大放电功率密度的 1 2 8倍和 2 4倍。

全氟磺酸离子交换膜的制备与性能研究

采用四氟乙烯、六氟丙烯和全氟磺酰基乙烯基醚共聚合成了全氟磺酸离子交换树脂,通过溶液浇铸法将其制成全氟磺酸离子交换膜(PSAIM)。PSAIM膜显示出优良的力学性能、电化学性能以及化学稳定性。TGA测试结果表明,PSAIM膜的初始热分解温度超过 400℃;DSC测试结果显示,膜中存在微观相分离,该膜具有三个热转变温度,分别对应于非晶区、离子簇区和结晶区。

吡啶取代度对聚乙烯醇基碱性阴离子交换膜性能的影响

将具有共轭结构的吡啶盐接枝在聚乙烯醇(PVA)基质上,制备出吡啶基团功能化的PVA-FP阴离子交换膜。N元素分析测得该系列膜最大取代度为10.4%(No.3膜);吡啶基团的引入将膜的初始热降解温度提高了近32℃;吡啶基团的线性分布提高了OH-离子的迁移效率;70℃时No.3膜表现出最高的OH-离子电导率(3.02×10-2 S/cm),分别将其浸泡在2 mol/L、4 mol/L、6 mol/L的KOH溶液中进行耐碱稳定性测试,未见电导率下降,升高碱液浓度至8 mol/L,其电导率在120 h后稳定在初始值的88%左右,表现出优异的耐碱稳定性能。

季铵化聚醚砜氢氧根离子交换膜的制备及研究

以氯甲基辛基醚(CMOE)为氯甲基化试剂,成功制备了不同取代度的氯甲基化聚醚砜(CMPES),使用三甲胺水溶液将CMPES膜季铵化,制备出季铵化聚醚砜氢氧根离子(QAPESOH)交换膜。对膜的离子交换容量、吸水率、溶胀度以及离子传导率进行测试,结果表明,当QAPESOH膜的氯甲基化程度(DC)在23%～51%时,即使温度升高到60℃,膜都具有良好的吸水率和适当的溶胀度。特别是DC为51%的膜,其氢氧根传导率在20℃时可以达到15.6mS/cm,并且具有良好的机械稳定性,说明QAPESOH膜在氢氧根离子交换膜燃料电池方面有很好的应用前景。

燃料电池质子交换膜的研究

通过先辐射接枝后磺化引入磺酸基两步法合成了磺酸型质子交换膜,对质子交换膜的物理化学性能如吸水性、离子交换容量、形体稳定性以及化学稳定性等进行了研究分析。结果表明,这些性能依赖于膜基体中苯乙烯的含量,综合膜的各种性能,膜中苯乙烯含量应控制在12%～21%之间。

氟表面活性剂和氟聚合物(Ⅸ)--全氟磺酸树脂和全氟磺酸离子交换膜

全氟磺酸树脂(PFAR)及其前体全氟磺酰氟树脂(PFSR),以及由其为基材制备的全氟磺酸离子交换膜(PFSIEM)是重要的氟化工产品,在氯碱工业、燃料电池、化工生产和国防安全等领域有重要应用。介绍了PFSR,PFAR和PFSIEM的发展历程、产品种类、制备方式、加工方法、表征方法和产品应用,并对其研究热点及我国在该领域的发展进行了展望。

离子交换-电沉积法制备高Pt利用率多孔电极

采用离子交换-电沉积的方法(Ion-Exchange/Electrodeposition,IEE)制备了一种高Pt利用率催化电极,对所制备电极的表面形貌、催化活性及单电池性能用线性扫描伏安(LSV)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和单电池测试进行了表征.结果表明,通过电极制备工艺和离子交换-电沉积参数的调控,能够消除碳载体表面官能团的影响,使铂阳离子只与全氟磺酸树脂(Nafion)上的H+进行交换.在无铂离子的电解质中,将被交换的铂阳离子还原到与Nafion接触的碳载体上,使每一个铂纳米粒子都处于气体多孔电极的三相界面上,有效地调控铂纳米粒子的尺寸和分散度.单电池测试表明,以铂载量为0.014 mgP.tcm-2的IEE电极组装的电池的输出功率与铂载量为0.3 mgP.tcm-2的Nafion粘接Pt/C电极相当.

具有不同自由离子的离子交换膜对MFC性能的影响

将4种具有不同自由离子的离子交换膜,即阳离子交换膜的H+型(CEM-H)和Na+型(CEM-Na)、及阴离子交换膜的Cl-型(AEM-Cl)和OH-型(AEM-OH),作为分离膜应用于微生物燃料电池(MFC)。结果表明,4种膜的电导率呈顺序为CEM-H>CEM-Na>AEM-OH>AEM-Cl,与之相对应的MFC产电性能呈相同的顺序。采用CEM-H的MFC产电性能最好,最大功率密度可达899 m W/m2;同时膜性能的不同导致MFC的库伦效率、阳极p H等存在差异。电化学阻抗谱(EIS)研究表明,在电池运行过程中阴离子交换膜的污染造成了较大的内阻,严重影响了其MFC的产电性能。

离子交换树脂对Pt/C催化剂耐久性的影响

离子交换树脂(Ionomer)是质子交换膜燃料电池催化层的重要组成部分,它在催化层中的主要作用是作为质子传导相传导质子.本文采用旋转圆盘电极法(RDE),在模拟燃料电池真实的运行环境(模式一)和模拟燃料电池启停环境(模式二)两种模式下,研究了Ionomer对铂碳催化剂电压循环耐久性的影响.通过相同位置透射电镜分析法(IL-TEM),分析了铂碳催化剂经历模式二耐久性测试后的结构变化.研究发现Ionomer的存在可以提高铂碳催化剂的耐久性.在模式一的测试中:添加Ionomer后,其氧还原半波电位下降值△E从23 mV下降至11 mV;没有发生碳的腐蚀,Pt颗粒的长大是催化剂性能下降的主要原因;Ionomer的存在延缓了Pt电化学比表面积(ECSA)的降低从而有利于保持Pt的活性.在模式二的测试中:添加Ionomer后,其氧还原半波电位下降值△E从25 mV下降至5 mV,除了铂颗粒长大外还发生了载体碳的腐蚀;Ionomer的存在同样可以保持Pt的活性;IL-TEM分析可以看到明显的铂颗粒长大和碳腐蚀,碳载体的腐蚀造成铂的严重流失和团聚.含Nafion的催化剂中铂颗粒平均粒径从2.7 nm增加到了3.76 nm,不含Nafion的催化剂中的铂颗粒平均粒径从2.44 nm增加到了4.19 nm.

离子交换膜界面结构对膜电极性能影响的研究进展

燃料电池对我国能源转型具有深刻影响,膜电极(MEA)是其核心部件,对电化学装备性能起着决定性作用.其中,离子交换膜与催化层(CL)间的界面结构,直接影响MEA中反应与传质耦合过程.围绕离子交换膜的多种界面调控方法,及其在燃料电池中的应用展开论述,重点介绍了图案化离子交换膜、多孔离子交换膜和直接膜沉积3种技术途径.同时,通过分析离子交换膜界面结构对MEA性能的影响规律,阐述“界面结构传质特性膜电极性能”的关系.最后,对离子交换膜用于新型水电解制氢过程及未来发展进行展望.

离子交换树脂对氢燃料电池冷却液的影响

氢燃料电池汽车常用去离子器来降低燃料电池冷却液的电导率,去离子器中的离子交换树脂对冷却液的影响是值得研究的。研究了燃料电池循环冷却系统中使用的离子交换树脂对冷却液缓蚀剂的影响,包括离子交换树脂对缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)和甲基苯并三氮唑(TTA)的吸附行为,BTA吸附速率的影响因素,考察了燃料电池汽车运行时冷却液中BTA的浓度变化和电导率。研究结果表明,相同条件下,树脂用量、工作温度和搅拌速度均能够增大树脂对冷却液中BTA的吸附速率。吸附BTA饱和后的离子交换树脂仍能继续吸附冷却液中的离子,并解析出BTA。氢燃料电池冷却液装车运行2500 km后,BTA浓度基本保持不变,维持在600 mg/L左右。研究结果可以为氢燃料电池冷却液的开发以及去离子器的使用提供指导。