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.

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。

索尔维推出面向电动汽车电池模组绝缘应用的新型耐高温聚合物

全球领先的特种材料供应商索尔维宣布旗下Xydar液晶聚合物(LCP)产品线又添一员——全新耐高温、阻燃牌号聚合物Xydar LCPG-330HH。该材料旨在满足电动汽车电池元件的关键安全需求,解决了极具挑战性的耐高温和绝缘要求,尤其适用于使用更高电压系统的电动汽车电池模组端板绝缘。索尔维公司材料事业部交通运输市场负责人表示:“随着汽车制造商将下一代电动汽车的电压从400 V提高到800 V,欧洲、中国、美国等国家的新法规对电池部件的要求也在不断提高。”

碳硼烷基耐高温聚合物的研究进展

综述了碳硼烷基耐高温聚合物的研究背景、制备方法及结构特点；介绍了碳硼烷的合成方法和结构表征；对聚(碳硼烷-硅氧烷)、聚(碳硼烷-硅氧烷-乙炔基)和聚(芳基醚酮-碳硼烷)三类碳硼烷基聚合物的合成方法和性能进行了详细的介绍。目前研究表明：碳硼烷基聚合物具有极其优异的耐热及热氧化性能,在先进复合材料基体树脂、陶瓷前驱体、碳/碳复合材料的表面涂层和耐原子氧涂层等高技术领域具有广泛的应用。对碳硼烷基耐高温聚合物的发展前景进行了展望。

高性能耐高温聚合物复合材料的摩擦磨损性能研究

介绍了一些常见的高性能耐高温聚合物及其复合材料的摩擦与磨损性能的研究及其新进展,包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等。并讨论了不同种类的填料,如纤维、固体润滑剂、无机化合物以及无机纳米粒子对高性能耐高温聚合物基复合材料摩擦系数及磨损率的影响,许多研究结果表明,适量填料的加入能提高聚合物基复合材料的耐磨性能,特别是填料的协同作用对降低复合材料的摩擦系数及磨损率有更大的帮助。

耐高温聚合物在电子电气工业中的应用发展

本文重点介绍了耐高温聚合物的研究进展及在电子电气工业中的应用。

双河油田高温聚合物驱综合调整技术

针对双河油田高温聚合物驱应用情况,结合实际油藏地质特点,实施了聚合物驱井网优化技术、油层改造技术、注聚全过程调剖技术、动态调配技术等相应的综合调整技术,这些技术的应用对改善高温聚合物驱开发效果起到了关键的作用。

无色透明耐高温聚合物光学薄膜研究与应用

近年来,以柔性电子、柔性显示等为代表的新一代信息产业的快速发展对光学膜材料提出了迫切的应用需求。聚合物光学膜材料,包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、三醋酸纤维素（TAC）、聚乙烯醇（PVA）、聚碳酸酯（PC）等由于具有优良的光学透明性、良好的力学性能以及原材料易得、成本较低等特性,因此在电子与显示等信息产业中得到了广泛的应用[1]。

高性能/高温聚合物(Ⅴ)反应性端基聚酰亚胺齐聚物及固化技术

综述了高性能/高温聚合物中的反应性端基齐聚物与热固性聚酰亚胺及其固化技术,其包括PMR-15、PMR-Ⅱ,端乙炔基聚酰亚胺、苯乙炔封端聚酰亚胺、Thermcon聚酰亚胺、其它热固性聚酰亚胺、苯并环丁烯端基聚酰亚胺,对其化学结构与性能的关系也进行了讨论。

高温聚合物驱先导试验开发效果评价

双河油田V上层系油层平均温度80．3℃,属于二类储量(70-80℃)油藏,为开展高温聚合物驱技术攻关,选择双河油田V上层系于2004年5月开展先导试验,聚驱后显示了好的开发效果,产量基本沿着方案预测生产曲线运行,截至2006年5月产油量上升了60 t／d,含水下降了3．8个百分点,目前层系仍处于产量上升期,已累积增油2．6×104t,为河南油田二类储量聚合物驱开发打下了基础,也为其它油田同类油藏高温聚合物驱开发提供借鉴。

高性能/高温聚合物(Ⅴ)反应性端基聚酰亚胺齐聚物及固化技术

综述了高性能/高温聚合物中的反应性端基齐聚物与热固性聚酰亚胺及其固化技术,其包括PMR-15、PMR-Ⅱ,端乙炔基聚酰亚胺、苯乙炔封端聚酰亚胺、Thermcon聚酰亚胺、其它热固性聚酰亚胺、苯并环丁烯端基聚酰亚胺,对其化学结构与性能的关系也进行了讨论。

耐高温聚合物研究进展

耐高温聚合物以其优异的耐热性应用于航空航天、现代高新技术等领域,虽然市场上已有多种产品,但仍存在加工性能不好等问题,因此需要进行很多研究工作,使这些问题得到改善。本文总结了2类重要的耐高温聚合物聚酰亚胺(PI))和聚芳醚砜(PPES)的国内外现状和最新研究进展。

高性能／高温聚合物的设计、性能和应用进展（Ⅳ）2种新型聚（酰胺-酰亚胺）的合成及其性能

综述了新型聚(酰胺-酰亚胺)，即主链含乙炔单元的聚(酰胺-酰亚胺)和联苯或联萘，双醚二胺型聚(酰胺-酰亚胺)的合成方法及其物理性能，力学性能和热性能。

高性能抗高温聚合物钻井液研究与应用

为满足环境敏感性海域高温深井钻井作业和环境保护要求,研究了抗温200℃,生物毒性值LC50大于10×10~4mg/L的高性能抗高温聚合物钻井液,其以合成聚合物为主要处理剂,辅以优选出的纳米封堵剂、页岩抑制剂和极压润滑剂,该体系具有了油基钻井液抑制泥页岩水化的分散性能和润滑性能,对环境友好,可直接排海。实验表明,分别以重晶石和甲酸盐为加重剂,该抗高温聚合物海水基钻井液体系在200℃高温热稳定时间长达48 h以上,高温高压滤失量为12~25mL,抗20%氯化钠和0.5%氯化钙污染,生物毒性卤虫96 h半致死浓度LC_(50)大于10×10~4 mg/L,发光细菌半数有效浓度EC_(50)大于30×10~4 mg/L,符合一级海区生物毒性排放要求。在环渤海油田进行了现场应用,取得了良好的试验效果,试验最深井深6 066 m,最高井底温度204℃。

硅亚甲基及Diels-Alder反应在合成耐高温聚合物中的应用

合成了两种带有苯炔或萘炔结构及苯基硅亚甲基的聚合物PSPE和PSNE,研究了它们的熔点,溶解性及固化反应。研究结果表明,硅亚甲基的引入可以降低聚合物的熔点,增加溶解性,而苯炔和乙炔基间的D iels-A lder反应,可使聚合物固化后,生成刚性苯并结构。这一原理可用于加工性能良好的新型耐高温聚合物的分子设计和合成,也可用于对现有耐高温聚合物的改性。

低生物毒性高温聚合物钻井液体系研发及应用

海洋环境保护及高温深井钻井作业给钻井液施工及废弃物处理带来了严峻挑战。在调研分析高温聚合物处理剂及钻井液体系研究现状及存在问题的基础上,以合成的高温聚合物降滤失剂和增黏剂为主剂研发了低生物毒性高温聚合物钻井液体系,该钻井液体系配方为:2.0%~3.0%聚合物降滤失剂+0.25%~0.50%聚合物增黏剂+高温稳定剂+纳米封堵剂+聚合醇抑制剂+加重剂。性能评价结果表明,所研发的钻井液体系抗温200℃,生物毒性LC50值大于10×104 mg/L。目前该钻井液体系已在冀东油田、辽河油田、北黄海海上油田等10余口井取得成功应用,具有较好的推广应用价值。

高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极中磷酸分布及调控策略研究进展

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)由于其较高的运行温度(140–200℃)而具有较快的电极反应动力学和良好的抗CO等杂质气体毒化能力以及简化水热管理等优势,是PEMFC的重要发展方向之一。HT-PEMFC的核心部件为基于磷酸掺杂聚合物电解质膜(HT-PEM)组装的膜电极(MEA)。在高温膜电极(HT-MEA)中,一方面聚合物电解质膜和催化层中的离子传导极大地依赖于磷酸的含量;而另一方面磷酸分子填充在高分子链周围会引起聚合物膜力学性能的下降,迁移进催化层中的磷酸容易导致阴阳极催化层的“酸淹”以及在铂催化剂表面吸附而降低催化剂活性。因此,研究磷酸在高温聚合物电解质膜电极中的分布状态和迁移过程,对构建高性能和高稳定性的HT-PEMFC至关重要。基于此,本文对近年来HT-MEA中磷酸的分布、动态迁移过程的研究现状进行了梳理分析,对HT-MEA(包括高温聚合物电解质膜和催化层)中磷酸分布和迁移的调节与优化策略研究进展进行了较全面的综述,并对其未来发展趋势进行了评述和展望。

高温聚合物电解质膜燃料电池大尺寸(200cm^(2))多蛇形流场模拟与优化

以大尺寸(100mm×200mm,200cm^(2))多蛇形流场为研究对象,通过数值模拟和实验的方法探究了阴极多蛇形流场的排布方式对高温聚合物电解质膜燃料电池输出性能的影响。相比于竖向排布多蛇形流场,基于横向排布的多蛇形流场的电池在进气量1.527L/min和电压0.6V时展示出了更高的平均输出电流密度222.78mA/cm^(2)和更均匀的电流密度分布(均一指数为75.3%)。在此基础上,进一步对横向排布流场结构的气体通道数进行了优化。结果表明入口气体通道数的增加可以显著减少流场进出口的压降损失,但电池平均输出电流密度和均一指数也有所降低。其中,9通道横排多蛇形流场有较高的电池性能和较好的电流密度分布均匀性(相对于14通道)和较低的压降损失(相对于6通道),对进一步提高高温聚合物电解质膜燃料电池的性能及稳定性和商业化应用具有指导意义。

高性能／高温聚合物的设计、性能和应用进展

综述了高性能／高温聚合物的定义和进展，影响因素，应用，市场和结构设计。在众多高性能／高温聚合物中，最普通的系列是由聚酰亚胺、聚芳醚和端苯乙炔基低聚物构成的，其证实了聚合物发展的基本原理。化学结构与性能的关系通常用来表明如何可依据综合性能进行聚合物设计。2000年世界高性能聚合物市场消费为206．7t消售额43．6亿$其中聚酰亚胺为39．82消售额10．7亿$(占24％美元值)。随着世界经济的发展，其市场可预计将显著增长。

聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮高温聚合物电解质膜及燃料电池堆性能研究

基于磷酸掺杂聚苯并咪唑膜(PA/PBI)的高温聚合物电解质膜燃料电池具有高的输出功率和优异的稳定性,然而PBI膜昂贵的价格和复杂的制备工艺限制了高温聚合物电解质膜燃料电池的商业化应用。本研究以成本低和制备工艺简单的聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮(PES-PVP)膜的商业化应用为目标,小规模制备了幅宽为40 cm的PES-PVP复合膜,证实了流延法放大制备PES-PVP复合膜的可行性。PES-PVP膜中每个PVP重复单元的吸附量达4.9个磷酸(PA)分子,且在180℃的质子电导率达85 mS·cm^-1。此外,尺寸为165 cm2的PA/PES-PVP高温膜电极在150℃的输出功率达0.19 W·cm^-2@0.6 V,与同尺寸的商业化PA/PBI高温膜电极的输出功率相当,并在近3000 h的寿命测试中展示出良好的稳定性。最后,将PA/PES-PVP高温膜电极(单片有效面积200 cm2)组装高温膜燃料电池短堆,其中基于3片膜电极的短堆展现出良好的电堆启停稳定性;基于20片膜电极电堆的峰值功率达1.15 kW。以上结果表明所制备的PA/PES-PVP是一种性能优良、价格便宜的高温聚合物电解质膜材料,并且基于该膜材料组装的高温聚合物电解质膜电池和电堆性能优异。本研究工作为高温聚合物电解质膜燃料电池关键材料和电堆的国产化提供了研究基础。