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。

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。

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。

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。

高温质子交换膜燃料电池研究进展

温度是质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作的重要条件之一。根据研究,燃料电池的性能随着温度的提高而提升。由于受限于质子膜、催化剂等材料的特性,目前应用的PEMFC一般工作于低温环境(80℃以下),但国内外的某些研究机构很早以前就对高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)开始了研究。介绍了HT-PEMFC的优点以及世界范围内目前的研究进展,对HT-PEMFC的未来发展趋势进行了总结。

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。

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。

氧化石墨烯/磺化聚苯并咪唑高温质子交换膜的制备和表征

通过共混法和原位聚合法成功制备氧化石墨烯(GO)/磺化聚苯并咪唑(SPBI)质子交换复合膜。用FTIR及TEM表征了复合膜的结构,并测试了复合膜的热稳定性、力学性能、尺寸稳定性、含水率、酸掺杂率、氧化稳定性及质子电导率,重点考察不同制备方法、GO的加入对GO/SPBI质子交换复合膜结构和性能的影响。实验结果表明,GO在Y-GO/SPBI-1%复合膜中呈薄片状并良好分散。添加GO后复合膜的力学性能大幅提高,拉伸强度相较于Nafion117膜(26.65MPa)提高了2.5倍。Y-GO/SPBI-1%复合膜热稳定性稍高于G-GO/SPBI-1%复合膜。Y-GO/SPBI-1%复合膜拥有与SPBI膜相当的含水率,比G-GO/SPBI-1%复合膜的含水率提高了51.36%,表明原位聚合法制备的膜具有良好的保水能力。原位聚合法制备的复合膜具有更高的酸掺杂率和更低的酸溶胀度,提高了膜的尺寸稳定性。Y-GO/SPBI-1%质子交换复合膜在相对湿度40%、160℃下具有最高的质子电导率0.113S/cm。GO上的含氧官能团有助于复合膜中质子的跳跃,原位聚合法使GO更均匀地分散在SPBI基质中,对复合膜质子电导率的提高起到关键作用。

膦(磷)酸功能化硅氧烷高温质子交换膜研究进展

膦(磷)酸功能化硅氧烷质子交换膜是最有望应用于高温质子交换膜的新材料。综述了膦(磷)酸功能化硅氧烷高温质子交换膜的研究进展,重点讨论了环氧开环、自由基共聚、形成酸碱对以及膦酸酯基硅氧烷水解交联4种不同的将膦(磷)酸键合在杂化膜中的方式,并从物理化学稳定性、电导率等方面比较各种质子交换膜的性能,最后展望了膦(磷)酸功能化硅氧烷高温质子交换膜的发展趋势。

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。

PVP改性酸碱复合高温质子交换膜的制备

以氨基三甲叉膦酸(ATMP)、3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTES)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料,采用溶胶–凝胶法制备了ATMP/APTES酸碱复合质子交换膜及其PVP改性膜,利用傅立叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、综合热分析仪质谱联用等对膜材料进行表征和测试。结果表明,PVP与质子膜相容性良好,PVP的添加在一定程度上能提高质子膜的抗氧化性、尺寸稳定性和耐水解性。质子电导率随温度、离子交换容量值及PVP含量增加而升高,在140℃干燥环境下含有质量分数2%PVP改性膜的电导率可达1.73×10^(–2) S/cm,且ATMP/APTES/PVP膜具有良好的热稳定性,基本满足高温低湿度运行要求。

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 ℃.

用于高温质子交换膜燃料电池研究的实验平台(英文)

实验是研究高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的最直接、有效的手段之一。该文基于LabView软件,研发了一个用于高温PEM燃料电池研究的实验平台,用于采集温度、压强、质量流量,以及气体化学计量数等有价值的数据。该平台设置了质量流量、时间、步长等参数的控制策略,这些策略对于高温PEM燃料电池的车用化是必要的。应用该平台,测量了高温PEM单片燃料电池及1kW燃料电池堆的极化曲线和电压损失,完成了不同的流量控制策略下的对比实验,以便改善高温质子交换膜燃料电池在稳态和动态过程中的性能。这些研究结果有助于进一步研究高温质子交换膜燃料电池。

基于半互穿聚合物网络的高温质子交换膜的制备

通过构筑基于含不饱和双键的磺化聚芳醚酮(Allyl-SPAEK)与芳醚型聚苯并咪唑(PBI)的半互穿聚合物网络(IPN),获得综合性能优异的可用于高温质子交换膜燃料电池的PBI/Allyl-SPAEK复合膜材料.在对Allyl-SPAEK和PBI的分子进行设计和合成的基础上,采用溶液共混-浇铸方法,基于UV辐照交联,获得了由丙烯基生成的共价键和咪唑基-磺酸基形成的强酸碱相互作用组成的IPN新体系,并系统研究了新型复合膜的热、机械性能和质子传导率.结果表明,具有PBI/Allyl-SPAEK半互穿聚合物网络的复合膜具有较高的质子传导率和力学性能,在同等磷酸吸附水平和测试条件下优于PBI膜.在磷酸吸附水平为13.0左右时,PBI/Allyl-SPAEK复合膜的最大拉伸强度达到12.1 MPa,杨氏模量达到131.5 MPa,是同等磷酸吸附水平下PBI膜的2.04倍.在200℃时,两种PBI/Allyl-SPAEK复合膜的质子传导率均达到200 mS/cm以上,比PBI膜传导率提高了38%.

燃料电池高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池具有反应动力学快、CO耐受性高等特点,但磷酸掺杂的高温质子交换膜因磷酸的流失和聚合物的降解等原因导致燃料电池的输出功率发生衰减。本文通过介绍聚苯并咪唑衍生物的高温质子交换膜、聚苯并咪唑的复合型质子交换膜、新型芳基聚合物的高温质子交换膜,阐明聚合物的主链结构、官能团结构以及复合填料对高温质子交换膜性能的影响。在近期的研究报道中,提高膜性能的主要策略包括提升自由体积、建立交联结构、嵌段共聚、复合掺杂(ILs、MOFs、PIMs、MOx)、阳离子官能团修饰等。文章指出,在未来的研究中应该加强对磷酸基高温质子交换膜质子传输通道结构的进一步理解,关注聚合物化学降解和物理性能衰败的原因,并开发更多的新型聚合物材料。

高温质子交换膜燃料电池用聚苯并咪唑/聚乙烯基苄基交联膜的制备与性能研究

为提高聚苯并咪唑(PBI)膜的抗氧化性能,以乙烯苄基氯(PVBC)作为PBI的大分子交联剂,并利用1H-1,2,4-三氮唑取代交联剂中的不稳定端基Cl,制备了交联型高温质子交换膜,考察了交联剂用量对膜的电化学性质的影响.研究表明,膜中的交联结构有效提高了膜的抗氧化性能,并兼具优异的电导率及力学性能.采用无增湿H2和O2对膜电极性能进行了测试,150oC下电池最大功率密度达到0.82 W·cm-2.

高温质子交换膜燃料电池性能衰减机理与缓解策略——第一部分:关键材料

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有耐CO毒化能力强、水热管理简单、能量利用率高等优点,但同时高温酸性环境也使其面临着耐久性不足的问题。针对该问题,本文分别概述了HT-PEMFC中质子交换膜、气体扩散电极、双极板以及密封件等四种电池组件的常用材料的物理化学特性,并系统地总结了近些年关于HTPEMFC各组件性能衰减过程的机理、危害、影响因素以及相应缓解策略的研究进展。最后对HT-PEMFC未来的发展进行了展望,其中开发高强度轻薄双极板和高耐久性密封件、优化电堆成本以及探索新型电解质膜体系等研究方向有望成为未来该领域内的研究重点。

硅氧烷交联的咪唑基团功能化聚苯醚/聚四氟乙烯耐高温质子交换膜

以聚苯醚(PPO)为基体材料,通过溴甲基化及咪唑基团功能化,与聚四氟乙烯(PTFE)复合、硅氧烷基团水解交联及磷酸掺杂,制备了兼具高磷酸掺杂含量、高质子电导率和良好机械性能的高温质子交换膜材料.以甲基咪唑(MeIm)和咪唑基硅氧烷化合物(Si Im)为功能化试剂(其中咪唑基团提供了磷酸作用位点,同时Si Im中的硅氧烷基团水解后得到Si—O—Si交联网络结构),提高了膜材料的机械稳定性.与PTFE的复合进一步增强了膜材料的机械强度.结果表明,复合膜具有较高的电导率和一定的机械强度.当磷酸掺杂质量分数为242. 5%时,PPO-50%Si Im-50%MeIm/PTFE复合膜在160℃不加湿条件下的电导率为0. 09S/cm,室温下的断裂拉伸强度为3. 6 MPa.

基于膦酸基的高温质子交换膜的研究进展

提高质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的工作温度,不但可以提高电催化剂的活性以及电催化剂对原料气中CO等杂质气体的耐受能力,少用甚至不用Pt等贵金属作电催化剂,还可以简化PEMFCs的水热管理系统,提高PEMFCs的综合能量转化效率.实现高温PEMFCs的核心是开发能够适用于高温PEMFCs的高温质子交换膜(HT-PEM),是PEMFCs的研究热点.在众多HT-PEM候选材料中,基于膦酸基的质子交换膜材料是最具前途的候选材料之一,是制备HT-PEM的主要研究方向.本文综述了基于膦酸基的HT-PEM的研究进展,讨论了膦酸基参与的质子传导机理,比较了纯聚合物膦酸膜、膦酸基接枝改性膜、酸-碱两性膜、掺杂型复合膜的电导率、物理化学稳定性、机械性能等.最后,展望了基于膦酸基的HT-PEM的发展趋势.