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。

双极界面聚合物膜燃料电池研究进展

双极界面聚合物膜燃料电池(BPFCs)作为一类新型的具有酸碱双极界面结构的聚合物膜燃料电池,其新颖的膜电极结构带来了突出的优势以及独特的界面问题。随着关键材料与界面工艺的发展,近年来双极界面聚合物膜燃料电池取得了显著的研究成果。本文将梳理膜电极工艺及结构、关键反应界面、水传输机制以及非铂催化剂应用等方面的研究进展。这些基础理论与关键技术的发展为双极界面聚合物膜燃料电池未来深入研究和开发奠定了良好的基础。

表面修饰模式对Nafion离子选择性影响及在VRFB中的应用（英文）

本文采用壳聚糖-磷钨酸层对Nafion膜表面分别进行单面和双面修饰改性,研究了修饰模式对Nafion膜钒离子渗透率、电导率及离子选择性的影响.结果表明,单面、双面修饰改性均会使Nafion膜的钒离子渗透率显著降低,最高降幅分别达到89.9%(单面修饰)和92.7%(双面修饰);单面、双面修饰改性均会使Nafion膜的电导率下降,但存在明显差异,在相同修饰厚度条件下,双面修饰改性对Nafion膜电导率的影响比单面修饰改性更小.因此,双面修饰复合膜展示出了比单面修饰复合膜更高的离子选择性,并且在修饰层厚度为17μm时达到最大值(1.12×105S·min·cm^(-3)).基于优化的双面修饰Nafion膜的全钒液流电池,在充放电流密度30 mA·cm-2时,库仑效率和能量效率分别达到93.5%和80.7%,并在测试时间内展示出良好的循环稳定性.

重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池研究进展与展望

甲醇作为一种安全便捷的液态储氢燃料,具有高含氢量以及高体积能量密度,可经重整为富氢气后与燃料电池系统集成为重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池,从而高效地将甲醇和氧气的化学能转变为电能。本文针对重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池的不同类型(外置重整型和内置重整型),分别对其系统集成的实现与发展进行了总结,并介绍了其现阶段在军用和民用方面的应用情况,同时指出了技术研究与应用存在的瓶颈,并对未来的研究方向进行了展望。未来提升重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池性能的努力在于开发低温工作的高效甲醇重整催化剂,以及高温稳定运行的聚合物电解质膜和非贵金属材料等燃料电池关键材料。

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。

燃料电池用宽温域质子交换膜研究进展

质子交换膜燃料电池的工作温度极大地影响其工作效率、抗毒化性能和水热管理系统的复杂程度。而常用的液态小分子质子溶剂(水和磷酸)在宽温域条件下难以稳定保持,限制了质子交换膜的质子传导性能。本文从不同质子溶剂的传导机制出发,梳理了近年来磺酸型、磷酸掺杂型及膦酸接枝型质子交换膜实现宽温域质子传递的研究思路、进展和存在的局限性,并对宽温域质子交换膜未来发展方向进行了展望。

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.

双极界面聚合物膜燃料电池Ⅱ:阴极催化层结构优化

以薄层亲水电极或者厚层憎水电极作为双极燃料电池(BPFC)阴极,系统考察了薄层亲水阴极中季铵化聚砜(QAPSF)含量、厚层憎水电极中聚四氟乙烯(PTFE)含量对电池性能的影响.结果表明,采用薄层亲水阴极时,催化层中QAPSF的最佳含量是20 wt%,室温下BPFC的最大输出功率达到186.1 m W/cm2.采用厚层憎水电极时,催化层中PTFE的合适含量是20 wt%,40℃时BPFC的最大输出功率达到461.5 m W/cm2.由于碱性阴极对排水的需求较高,厚层憎水电极相较于薄层亲水电极在BPFC中更有优势.

碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究

以碳纳米管(CNT)作为低铂载量膜电极(CCM)催化层(0.1mgPt·cm^-2)添加剂,研究了CNT的添加方式对催化层微观结构以及膜电极性能的影响.结果表明,与常规低铂载量催化层相比,在其表面喷涂一层CNT或将CNT均匀分散到Pt/C催化层中均有利于提升低铂载量膜电极的输出性能,在70℃和100%相对湿度条件下最高输出功率比常规低铂载量膜电极的0.522W·cm^-2分别提升了22.4%和60.0%,并且均匀分散添加方式优于分层添加方式.其原因在于分层添加CNT后改善了低铂催化层和气体扩散层之间的接触界面,降低了催化层与扩散层间的接触电阻,而均匀分散添加方式除了可降低界面接触电阻外,还显著改善了低铂催化层中的气体传输,大幅提升了Pt催化剂的利用效率,使得膜电极电化学反应电阻明显降低.进一步对均匀分散添加方式中CNT的载量进行优化,表明CNT添加量为37.5μg·cm^-2时电池输出性能最佳,70℃和100%相对湿度条件下的最大输出功率达到0.91W·cm^-2.本研究工作表明,将CNT均匀分散添加到催化层中是一种有效提升低铂载量膜电极性能的方法.

自交联聚乙烯亚胺-聚砜高温质子交换膜研究

为了制备出兼具高电导率和优异力学性能的高温质子交换膜,本工作采用化学自交联的方法将含氮功能基团聚乙烯亚胺(PEI,平均分子量200)接枝到氯甲基化聚砜(CMPSF)高分子链上制备磷酸掺杂型高温质子交换膜的基膜(PEI-PSF).其中,PEI上的含氮功能基团既作为磷酸吸附位点,使高温质子交换膜获得高的质子传导率,同时又作为交联位点与CMPSF高分子链上的苄氯基团发生自交联反应,使聚合物膜具有优良的力学性能.傅里叶变换红外光谱和X-射线光电子能谱测试结果表明,CMPSF高分子链上的苄氯基团与PEI上的含氮功能基团发生完全反应,且随着聚砜氯甲基化程度的增加,膜中引入的PEI含量相应增加,进而提升了PEI-PSF膜的磷酸掺杂水平.氯甲基化程度为58%的PEI-PSF膜(PEI-PSF-58)磷酸吸附量达到122 wt%,在180℃无水条件下质子电导率达到3.4×10^-2 S·cm^-1,同时该复合膜拉伸强度达到30MPa.基于磷酸掺杂的PEI-PSF-58复合膜的高温质子交换膜燃料电池在150℃干气条件下的输出峰功率达到200 mW·cm^-2,并且在78 h的测试时间内展示出了良好的稳定性.

燃料电池用碱性阴离子交换膜链结构调控研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因氧还原动力学快、可使用非Pt催化剂、成本低等优点迅速发展成燃料电池的重点研究领域.作为AAEMFCs的核心组件,碱性阴离子交换膜(AAEMs)的性能直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.为保证燃料电池高效、稳定、长时间的运行,AAEMs应具备高的离子电导率、尺寸及化学稳定性.但目前开发的膜尚难同时满足这些要求,在实际应用中依然面临阴离子传输效率与尺寸稳定性难以兼顾、碱性稳定性较差等问题.本文将结合近年来国内外及本课题组的研究进展,梳理AAEMs发展中存在的关键问题与解决思路,展望未来的发展方向.