新能源汽车电池膜材料服役性能与使用寿命研究进展

新能源汽车电池膜材料目前广泛应用于混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车等新能源汽车,电池膜主要分燃料电池膜(发电装置)和动力蓄电池膜(充放电装置)两类.随着电池膜材料工艺和技术的迅猛发展,迫切需要研究膜材料的服役性能和使用寿命.本文介绍了近年来质子交换膜材料、锂电池隔膜材料和镍氢电池隔膜材料的研究进展,结合本实验室的研究工作,着重介绍了汽车电池膜材料的服役性能和使用寿命的影响因素及控制策略,讨论了新能源汽车电池膜材料的未来发展方向.     

碱性燃料电池用聚烯烃类阴离子交换膜的研究进展

与质子交换膜燃料电池相比,基于阴离子交换膜的碱性燃料电池具有可使用非贵金属催化剂、电极反应速率高等优点,近年来受到广泛的关注.然而,到目前为止,尚未开发出一种高性能的阴离子交换膜以备碱性燃料电池使用.本文从功能单体共聚和高分子接枝改性两方面概述了聚烯烃类阴离子交换膜的制备方法,探讨了膜的化学结构、微观相分离结构与膜性能之间关系,最后总结目前聚烯烃类阴离子交换膜的氢氧燃料电池性能,并对该领域的发展趋势进行了展望.     

聚电解质燃料电池中的质子交换膜研究进展

聚电解质燃料电池(polyelectrolyte fuel cells, PEFCs)是汽车、固定式和便携式应用中极具前途的可清洁发电设备.质子交换膜是PEFCs中的重要组成部分之一.它在电池中起着阻隔燃料、传递质子的作用,其性能的优劣会直接影响PEFCs高效、稳定的运行.本综述主要总结了近20年质子交换膜的发展历程,从PEFCs的工作原理出发,首先引出质子交换膜在PEFCs中的重要作用,然后考察了质子交换膜的结构特点及其应用于PEFCs的传质特性.重点强调了质子交换膜结构对低温PEFCs性能的影响,主要包括全氟质子交换膜、含氟质子交换膜和非氟质子交换膜,以及近期开发的新一代质子交换膜.在低温质子交换膜的基础之上,还针对高温PEFCs介绍了高温质子交换膜的发展和面临的挑战.最后,展望并预测了未来质子交换膜的发展方向.     

静电自组装纳米Pd颗粒对Nanon膜的阻醇修饰

目前直接甲醇燃料电池(DMFC)广泛使用的质子交换膜是Dupont公司生产的Nafion系列膜，Nafion膜的全氟主链具有良好的化学稳定性和机械性能，然而全氟主链的疏水特性和作为导质子基团的磺酸根侧链的亲水特性使磺酸根以中空的团簇形式存在，这种团簇相连形成的通道使Nafion膜对甲醇有很高的渗透率．甲醇透过Nafion膜会在氧电极产生混合电位，导致阴极极化增加，电池性能下降，     

基于纳米燃料电池的自供能纳米系统

大量各种功能的纳米器件的出现与发展迫切地需要能源供给,以满足纳米系统独立的、可持续的连续工作.从生活环境中收集能量制备纳米电池用于驱动这些纳米功能器件,是解决能源问题十分有效的途径.近年来,由纳米电池与纳米功能器件组成的全新功能纳米器件——自供能纳米系统,得到了快速发展.显而易见,纳米电池的制备是自供能纳米系统建立的关键,由于燃料电池可收集自然界乃至生物体内的能源并转化为电能,因此实现燃料电池微型化在自供能纳米系统研究中有着至关重要的意义.本文从单根全氟磺酸质子交换树脂(Nafion)纳米线的质子传导性能出发,结合了本课题组及其他学者的工作,对纳米燃料电池、纳米生物燃料电池、复合型纳米生物燃料电池以及由这些电池驱动的自供能纳米系统进行了简要介绍,并对自供能纳米系统的研究现状、面临的问题以及可能的研究趋势进行了简要评述.     

质子交换膜燃料电池冷启动研究及策略优化现状

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)汽车以其能量转换效率高、续航里程长、零排放等突出优势,在“双碳”目标的背景下引起了广泛的关注.然而,在低温环境下的冷启动问题成为限制其商业化和推广应用的一大障碍.因此,研究人员进行了大量的实验与仿真来研究燃料电池冷启动的衰减机理、水传输相变和传热机理以及启动策略优化.通过对冷启动电池的输出性能和微观结构进行测量与表征,发现由于冰的产生覆盖反应活性位点、堵塞气体通道、增大电接触阻抗导致性能下降,由于水冰相变的体积变化破坏了内部结构导致耐久性下降.通过对启动过程中水和冰的分布、传输与相变过程进行研究,发现反应产物水首先以膜态水使质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)和催化层(catalyst layer, CL)的含水量达到饱和,接着以过冷水的形式在低温下保持液态,最后排出电池或突然结冰.通过研究冷启动的传热过程发现,电堆中间部分的电池单元和单电池的中间区域升温最快,为产热的主要区域,阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction, ...     

质子交换膜燃料电池催化层模型研究进展与展望

质子交换膜燃料电池是一种零/低碳排放的高效能量转换技术,对我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义.催化层是直接决定电池性能与寿命的关键组件之一,也是电池规模化商用的核心.催化层具有复杂的多物理场多尺度耦合输运反应过程,需要借助精确的数值模型来理解内部的传输与反应机制.本文回顾了近年来氢燃料电池催化层模型的研究进展,重点介绍了典型模型的建模思想,讨论了不同模型的适用性,简述了典型应用参考实例,并对模型的未来研究方向提出了一些建议.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

从文献统计看世界车用燃料电池研发的生态与演变:主要国家研发布局对比与启示

经过近10年的快速发展,车用燃料电池的性能、寿命和成本在国际上已经取得了突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近.为鸟瞰全球车用燃料电池研发布局,梳理技术发展脉络,掌握科技创新的新动向,本文通过对车用燃料电池文献的检索与统计,详细分析了世界车用燃料电池论文与专利的数量与质量、研发重点领域与分工、研究机构的性质与数量、参与的广泛度与集中度等研发生态与演变.在此基础上,对比分析了我国燃料电池汽车与国际先进水平的差距和存在的问题,从研发布局的角度探寻了优化我国燃料电池汽车产业化研发的方向.     

燃料电池薄膜在不同电流密度下的水传递规律

为了提高燃料电池的性能而采用的质子交换膜越来越薄,但薄膜会带来水的反渗透而导致阳极水淹问题.为了研究低加湿条件下不同电流密度燃料电池薄膜的水传递规律,设计了三维简化电池模型并导入FLUENT软件,在工作温度75°C、操作压力150 kPa、阴极不加湿条件下进行了气流场及电化学模拟计算,并设计露点仪水平衡实验测试实际情况下水的传输通量,与模拟计算数值进行对比分析.研究发现使用15μm薄膜,电流密度增大到超过0.4 A/cm2以上并继续增大时,会持续发生总水量传递通量朝向阳极的现象,而当电流密度大于3.0 A/cm~2时,这一现象将减缓.同时研究还发现越薄的质子交换膜传递的总水量将越多.     

新型全氟和多氟烷基化合物的分析、行为与效应研究进展

全氟化合物的污染已成为全球性的环境问题.随着全氟辛基磺酸的限制使用,全氟和多氟烷基化合物替代物的种类和数量不断增加.在大量生产和使用过程中,这些氟化物不可避免地通过直接的使用和排放或间接的转化过程进入到环境和生物体中,因而新型全氟和多氟烷基化合物的环境发现、赋存与迁移行为及潜在的生物学效应研究已成为全氟污染物研究的热点.本文对目前从环境介质中发现的新型全氟和多氟烷基化合物的种类、行为及未知全氟和多氟烷基化合物组分的鉴别方法进行了总结,并对可能的分析技术方法进行了展望.     

静电自组装纳米Pd颗粒对Nafion(R)膜的阻醇修饰

目前直接甲醇燃料电池(DMFC)广泛使用的质子交换膜是Dupont公司生产的Nafion(r)系列膜, Nafion(r)膜的全氟主链具有良好的化学稳定性和机械性能, 然而全氟主链的疏水特性和作为导质子基团的磺酸根侧链的亲水特性使磺酸根以中空的团簇形式存在[1], 这种团簇相连形成的通道使Nafion(r)膜对甲醇有很高的渗透率.     

燃料电池汽车动力系统过程模拟

建立了包括燃料供应模块、燃料电池堆模块和水热平衡模块在内的质子交换膜燃料电池汽车动力系统数学模型. 运用Matlab/Simulink软件进行模型构建和系统仿真, 研究了主要操作条件对系统性能的影响. 通过仿真结果与实验数据的对比, 表明该模型能较为准确地反映动力系统的特性, 为燃料电池汽车动力系统的研究和设计提供理论依据.     

氢能质子交换膜燃料电池核心技术和应用前景

氢能质子交换膜燃料电池通常被认为是清洁、高效和静音的能源技术,可以将氢气转换成电和热。早在几十年前商业界就期望燃料电池能够应用在运输领域,但一直难以真正实现。阻碍其商业化的主要障碍是成本高、耐久性差、系统较复杂,以及缺乏氢气供给基础设施。为了更好地理解这些问题,文章将介绍这种燃料电池的基本原理、核心技术和应用前景。     

石墨电极首次阴极极化过程的两电极和三电极电化学阻抗谱研究

运用电化学阻抗谱(EIS)并结合扫描电子显微镜(SEM)研究了石墨电极在两电极扣式电池和三电极玻璃电解池中的首次阴极极化过程. 研究指出, 两电极扣式电池体系中石墨电极首次阴极极化过程的EIS谱特征及其变化不能解释固体电解质相界面膜(SEI膜)的形成过程, 但是可以用三电极玻璃电解池中获得的石墨电极首次阴极极化的EIS谱特征及其变化加以说明. 结果表明, 在石墨负极首次阴极极化过程中SEI膜主要在1.0 ~ 0.6 V电位区间形成.     

Pt合金催化剂电化学活性面积表征方法综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)作为高效清洁的电化学能源转换装置,是目前应用最广泛、研究最热门的氢燃料电池之一.基于PEMFCs的低成本与高性能需求, Pt合金催化剂极具研究前景.电化学活性面积(electrochemical active surface area, ECSA)是筛选燃料电池高效催化剂以及研究催化动力学基础理论的重要参数,其评价的准确性至关重要.对于Pt/C催化剂ECSA的表征方法已经成熟,然而Pt合金因其不同于Pt/C催化剂的化学组成和结构,直接将传统Pt/C催化剂ECSA表征方法移植到Pt合金催化剂,将不再满足表征准确性需求.本文对Pt合金催化剂ECSA的表征方法及其表征ECSA偏差的来源进行综述.     

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.     

封面说明

<正>微流体燃料电池利用燃料和氧化剂在微通道内形成的平行层流流动来分隔阴阳极,去除了质子交换膜及其相关的成本高、膜降解老化等问题,是一种极具前景的微型电源技术.采用碳毡作为三维多孔可渗透阳极来增加比表面积、强化反应物的传输,是提高电池性能的有效手段.通过对采用碳毡和碳纸制备的电极进行扫描电子显微镜图片分析,发现了碳毡电极较大的孔隙率使得传质     

耐碱的胍盐阴离子交换膜研究进展

近年来,碱性阴离子交换膜燃料电池的发展得到了国内外研究人员的广泛关注,其中开发具有高碱稳定性的阴离子交换膜材料成为了研究的热点和难点.除了聚合物骨架,改善离子基团的稳定性对于阴离子交换膜材料整体稳定性的提高具有关键作用.胍盐离子作为一种新型的离子基团,分子结构中正电荷共轭分布在中心碳和3个氮原子上,电荷高度离域使得胍盐离子具有非常优异的热稳定性和化学稳定性,有望解决传统季铵盐离子在碱性条件下存在的降解问题.本文综述了近年来胍盐型阴离子交换膜材料的研究进展,其中包括胍盐阴离子交换膜材料的制备、分类以及胍盐离子的降解机理,同时对于耐碱型胍盐阴离子交换膜的结构设计进行了分析和展望.     

燃料电池阴离子交换聚合物膜的研究与发展

正基于阴离子交换聚合物膜的碱性燃料电池具有可使用非贵金属催化剂、电极反应速率快等优点,受到广泛关注.阴离子交换聚合物膜是碱性电解质膜燃料电池的核心部件,起到传导离子和阻隔燃料的双重作用,其性质直接决定着碱性燃料电池的最终性能、能量效率和使用寿命,因此受到高分子化学、材料与能源器件领域学者的广泛关注.最近十几年,阴离子交换聚合物膜在材料的制备方法、