碱性膜燃料电池中聚电解质的耐久性研究进展

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作者 梁铣 张晓燕 +4 位作者 魏亦军 郑云芳 高全涵 徐迈 王凤武 《化工学报》 北大核心 2025年第4期1447-1462,共16页

碱性膜燃料电池(AMFCs)因具备低成本及更快的氧还原动力学等特点备受关注。其中,作为离子传导介质和催化层黏结剂的碱性聚电解质是AMFCs中膜电极(MEA)的重要组成部分,其在高碱环境下的耐久性是保证AMFCs长期稳定运行的重要因素之一。综... 碱性膜燃料电池(AMFCs)因具备低成本及更快的氧还原动力学等特点备受关注。其中,作为离子传导介质和催化层黏结剂的碱性聚电解质是AMFCs中膜电极(MEA)的重要组成部分,其在高碱环境下的耐久性是保证AMFCs长期稳定运行的重要因素之一。综述了近些年针对碱性聚电解质耐久性的相关研究及其在AMFCs中的应用,分别总结了不同主链和阳离子基团对碱性聚电解质耐久性的影响机制,以期为碱性聚电解质分子结构的合理化设计提供参考。 展开更多

关键词 碱性膜燃料电池 聚电解质 碱性膜 耐久性

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具有经济性的碱性膜燃料电池氢气氧化反应催化剂 被引量：5

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作者 薛延荣 王兴栋 +7 位作者 张向前 方锦杰 许志远 张宇烽 刘雪瑞 刘梦园 朱威 庄仲滨 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第9期110-126,共17页

燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置,可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能。在过去的几十年中,燃料电池的开发取得了重大进展。聚合物电解质燃料电池,尤其是以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为代表,可以实现高效率、高功率密度、快... 燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置,可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能。在过去的几十年中,燃料电池的开发取得了重大进展。聚合物电解质燃料电池,尤其是以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为代表,可以实现高效率、高功率密度、快速启动,因而受到了广泛的关注。然而,PEMFC因使用昂贵的Pt基催化剂而导致成本较高,阻碍了其大规模的应用。近年来发展的碱性膜燃料电池(HEMFC)与PEMFC结构相似,但使用可传导氢氧根离子的聚合物电解质,并提供碱性工作环境。HEMFC由于具有使用非Pt电催化剂和较便宜双极板的可能性而备受关注。然而,HEMFC的一个巨大的挑战是阳极氢氧化反应(HOR)相对缓慢的动力学,这使得其需要较高载量的阳极催化剂才能实现较高的电池性能。因此,对于HEMFC而言,阳极催化剂的成本也很高,亟需开发在碱性条件下低成本、高活性和高稳定性的HOR催化剂。在本综述中,我们总结了HOR催化剂的最新研究进展,涉及文献中提出的各种HOR机理和催化剂,并分析了基于阳极催化剂成本的HEMFC性能。我们发现,最新报道的非Pt HOR催化剂可以降低阳极催化剂的成本,到达与PEMFC接近的成本水平。最后,我们对HOR的进一步研究进行了展望。 展开更多

关键词 碱性膜燃料电池 氢气氧化反应 电催化剂 铂族金属 成本

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碱性膜燃料电池阴极Co-N-C催化剂层的性能优化 被引量：3

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作者 尹燕 裴亚彪 +1 位作者 祝伟康 张俊锋 《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》 EI CSCD 北大核心 2021年第4期374-378,共5页

近年来,阴离子交换膜性能的提升使碱性膜燃料电池(AMFC)的研究成为热点.与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,其主要特点之一就是可以使用非贵金属催化剂替代商业Pt/C,从而避免非贵金属在酸性中的不稳定性.膜电极是燃料电池的核心部件,制... 近年来,阴离子交换膜性能的提升使碱性膜燃料电池(AMFC)的研究成为热点.与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,其主要特点之一就是可以使用非贵金属催化剂替代商业Pt/C,从而避免非贵金属在酸性中的不稳定性.膜电极是燃料电池的核心部件,制约燃料电池的性能.催化层作为膜电极的主要部件,由催化剂和离聚物组成.离聚物质量分数影响催化层孔的尺寸和分布,从而影响电化学反应速率和燃料电池反应中的氧扩散和水传输.同时,催化层与气体扩散层接触的紧密程度也影响了接触电阻.因此,对催化层微观结构的调控决定着燃料电池发电性能.目前,关于AMFC的催化层研究以贵金属Pt/C催化剂为主,对于非贵金属催化层研究相对较少,制约了其在碱性膜燃料电池中的应用.本文使用实验室自制的Co-N-C催化剂和商业FAA-3离聚物制备了阴极催化层,探究了Co-N-C催化层中离聚物的质量分数对催化层结构的影响,通过研究催化剂墨水的组分和配比,发现当离聚物质量分数为40%时燃料电池性能最高达到139.7 mW/cm2,与使用Pt/C催化剂的燃料电池性能相近. 展开更多

关键词 碱性膜燃料电池 膜电极 非贵金属催化层 离聚物质量分数

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用于碱性膜燃料电池的SEBS基阴离子交换树脂

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作者 高学强 俞红梅 +2 位作者 贾佳 刘艳喜 邵志刚 《电源技术》 CAS CSCD 北大核心 2017年第7期989-993,共5页

碱性阴离子交换树脂作为碱性膜燃料电池膜电极催化层中的离子导体和粘结剂,对构建稳定的立体化电极催化层结构以及碱性膜燃料电池的性能和稳定性具有重要影响。以聚(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)三嵌段聚合物(SEBS)为基材,经过氯甲基化、... 碱性阴离子交换树脂作为碱性膜燃料电池膜电极催化层中的离子导体和粘结剂,对构建稳定的立体化电极催化层结构以及碱性膜燃料电池的性能和稳定性具有重要影响。以聚(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)三嵌段聚合物(SEBS)为基材,经过氯甲基化、三乙胺季胺化、碱化,制备了不溶于水,但能够溶于低沸点溶剂(正丙醇和四氢呋喃混合溶剂)的阴离子交换树脂(AEI)。通过流延法将AEI成膜,并且测试了膜的吸水率、溶胀率、离子交换容量和氢氧根离子电导率,结果表明:膜的溶胀率为20%,离子交换容量为0.21 mmol/g,在80℃时离子电导率达到16.2 mS/cm。用这种AEI制备电极组装电池,在H_2/O_2碱性膜燃料电池的测试中表现出良好的性能和稳定性,电池的开路电压达到1.04 V,峰值功率密度达到153 mW/cm^2;在100 mA/cm^2电流密度条件下的稳定性测试中,初始电池电压在0.7 V以上,电池运行30 h后,电池电压未发生明显降低。 展开更多

关键词 阴离子交换树脂 嵌段聚合物 膜电极 碱性膜燃料电池

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碱性膜燃料电池阳极双催化层结构与性能研究

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作者 尹燕 刘洋 +1 位作者 祝伟康 张俊锋 《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期40-45,共6页

改善阳极水管理是碱性阴离子交换膜(AEM)燃料电池重要的研究课题.在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极研究中,发现改变催化层内部结构能够有效改善阴极的水管理能力,然而目前关于AEM燃料电池催化层相关研究较少.本研究针对AEM燃料电池阳极... 改善阳极水管理是碱性阴离子交换膜(AEM)燃料电池重要的研究课题.在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极研究中,发现改变催化层内部结构能够有效改善阴极的水管理能力,然而目前关于AEM燃料电池催化层相关研究较少.本研究针对AEM燃料电池阳极水分布特点,利用Pt/C和PtRu/C催化剂在碱性条件下氢氧化反应(HOR)的活性差异,设计了双层催化剂结构.当活性较高的PtRu/C层靠近气体扩散层,活性较低Pt/C层靠近AEM时,双催化层形成与单一催化层水分布相反的活性梯度,能够有效改善水分布,在测试温度为30℃和100%相对湿度时,获得较高峰值功率密度88.1 mW/cm^(2).研究成果为碱性膜燃料电池的阳极催化层结构设计提出一种新思路. 展开更多

关键词 碱性膜燃料电池 水管理 双层催化层

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氮/硫双杂化非贵金属碱性阴离子膜燃料电池阴极非铂催化剂 被引量：4

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作者 徐莉 潘国顺 +3 位作者 梁晓璐 罗桂海 邹春莉 陈高攀 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第5期1029-1036,共8页

以吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)作为碳载过渡金属催化剂的掺杂剂,经溶剂分散及600℃热处理制备了一种高效催化氧还原反应(ORR)的碳载双杂化过渡金属催化剂(Fe-N/C-TsOH-600).利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的结构进行表征... 以吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)作为碳载过渡金属催化剂的掺杂剂,经溶剂分散及600℃热处理制备了一种高效催化氧还原反应(ORR)的碳载双杂化过渡金属催化剂(Fe-N/C-TsOH-600).利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的结构进行表征.运用旋转圆盘电极(RDE)技术研究了该催化剂在碱性介质中催化氧还原的电化学催化活性和稳定性,探讨了不同浓度甲醇溶液对Fe-N/C-TsOH-600催化剂催化氧还原活性的影响.结果表明,以Fe-N/C-TsOH-600制备的气体扩散电极在0.1 mol/L KOH电解质溶液中对氧具有很高的选择催化还原活性和稳定性.当电极经过4800圈循环伏安(CV)扫描测试后,催化剂催化氧还原的性能基本保持稳定,并以4电子途径将氧气催化还原.此外,研究还发现,Fe-N/C-TsOH-600在混有甲醇的碱性电解质溶液中对氧的催化还原选择性比商业Pt/C催化剂高.XPS结果表明,吡咯氮是催化剂高效催化氧还原的主要活性中心,提供氧还原的活性位,而TsOH作为供硫掺杂剂对提高催化剂的活性具有重要作用,其加入后形成的C—S—C有利于催化剂催化氧还原活性的提高,从而使该催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性. 展开更多

关键词 碳载双杂化过渡金属催化剂 氧还原反应 稳定性 碱性阴离子膜燃料电池

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碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

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作者 李蒙 隋邦傑 《重庆大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期19-28,共10页

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电... 针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。 展开更多

关键词 碱性膜燃料电池 数值模型 水传输

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阴离子膜燃料电池阴极非贵金属催化剂研究进展

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作者 王晓晔 孙天航 +2 位作者 黄乃宝 梁成浩 孙银 《电源技术》 CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1089-1091,1099,共4页

与质子交换膜燃料电池相比,阴离子交换膜燃料电池不仅能显著提高阴极氧还原反应(ORR)动力学,而且可采用非贵金属催化剂大幅降低成本和减少极板腐蚀,成为新能源领域中的研究热点。对阴离子膜燃料电池中阴极非贵金属氧还原催化剂的研究进... 与质子交换膜燃料电池相比,阴离子交换膜燃料电池不仅能显著提高阴极氧还原反应(ORR)动力学,而且可采用非贵金属催化剂大幅降低成本和减少极板腐蚀,成为新能源领域中的研究热点。对阴离子膜燃料电池中阴极非贵金属氧还原催化剂的研究进展进行了详细评述,在此基础上提出杂原子掺杂的多孔纳米碳材料和以其为载体担载合金化的非贵金属是阴离子交换膜燃料电池阴极催化剂今后的发展方向。 展开更多

关键词 碱性聚合物电解质膜燃料电池 非贵金属阴极催化剂 氧还原

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非铂燃料电池催化剂研究进展 被引量：5

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作者 刘宪伟 薛俊海 +1 位作者 朱威 庄仲滨 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期286-294,共9页

燃料电池是利用氢能的理想途径,但燃料电池对于铂催化剂的依赖限制了其发展。该文综述了近年来非铂燃料电池催化剂的研究进展。对于质子交换膜燃料电池,因为阳极需铂量低,相关研究主要集中在阴极催化剂上。对于碱性膜燃料电池,一些非贵... 燃料电池是利用氢能的理想途径,但燃料电池对于铂催化剂的依赖限制了其发展。该文综述了近年来非铂燃料电池催化剂的研究进展。对于质子交换膜燃料电池,因为阳极需铂量低,相关研究主要集中在阴极催化剂上。对于碱性膜燃料电池,一些非贵金属催化剂在阴极展现出较高的活性,但阳极侧动力学缓慢,因此非铂催化剂的研究在两极均有开展。最后,对非铂燃料电池催化剂当前的研究重点和未来的发展方向进行总结和展望,旨在为非铂燃料电池催化剂的研究和长远发展提供指导和参考。 展开更多

关键词 燃料电池 非铂催化剂 氢气氧化反应 氧气还原反应 碱性膜燃料电池

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碱性阴离子交换聚合物膜研究进展 被引量：9

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作者 顾梁 孙哲 +1 位作者 徐丹 严锋 《功能高分子学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第2期153-162,共10页

碱性燃料电池(AFCs)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置,因其高效、环保等优点,得到了科学界与工业界的广泛关注。阴离子交换聚合物膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组成部分,要求其具备优异的电导率、良好的化学稳定性及力... 碱性燃料电池(AFCs)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置,因其高效、环保等优点,得到了科学界与工业界的广泛关注。阴离子交换聚合物膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组成部分,要求其具备优异的电导率、良好的化学稳定性及力学强度。本文主要从聚合物主链及阳离子官能团的结构与性能之间的关系及调控方式方面,综述了碱性阴离子交换膜的研究进展。 展开更多

关键词 碱性阴离子交换膜燃料电池 阳离子 耐碱稳定性 理论计算

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主链结构对阴离子交换膜碱稳定性的影响 被引量：2

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作者 王雪 李永纲 +2 位作者 郑吉富 张所波 李胜海 《膜科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期117-127,共11页

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)可使用低成本的非Pt催化剂,具有反应高效及环境友好等优点,因可在一定程度上取代质子交换膜燃料电池(PEMFCs)而备受关注.阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs的核心部件,需要兼备优异的OH-传输性能、机械... 碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)可使用低成本的非Pt催化剂,具有反应高效及环境友好等优点,因可在一定程度上取代质子交换膜燃料电池(PEMFCs)而备受关注.阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs的核心部件,需要兼备优异的OH-传输性能、机械性能、热稳定性及碱稳定性等.但目前AEMs仍面临的巨大挑战是耐碱性较差,不能够大规模商业化应用.本文重点综述了聚合物主链结构对AEMs的碱稳定性的影响,分析总结了碱性环境下AEMs主链的降解机理及提高碱稳定性的解决思路,并对未来可能的发展方向进行了展望. 展开更多

关键词 碱性阴离子交换膜燃料电池 阴离子交换膜 聚合物主链结构 碱稳定性

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阴离子交换膜阳离子基团的碱稳定性研究进展 被引量：1

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作者 王雪 李永纲 +2 位作者 郑吉富 张所波 李胜海 《膜科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期145-152,179,共9页

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因其优异的动力学反应特性、可使用低成本的非Pt催化剂、可抑制燃料渗透等优点而得到迅速发展.阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs的核心部件,对AAEMFCs的性能起到直接且关键的影响.为满足AAEMFCs的使用性... 碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因其优异的动力学反应特性、可使用低成本的非Pt催化剂、可抑制燃料渗透等优点而得到迅速发展.阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs的核心部件,对AAEMFCs的性能起到直接且关键的影响.为满足AAEMFCs的使用性能,AEMs通常需要具备高OH^(-)电导率及优异的热稳定性、机械稳定性及碱稳定性.然而目前AEMs的碱稳定性仍面临着巨大挑战.AEMs碱稳定性的下降主要是由于碱性环境下AEMs的聚合物骨架和阳离子基团的降解所致.本文将结合近年来国内外研究进展梳理AEMs的阳离子基团的碱稳定性问题及解决思路,并对其未来的发展趋势进行了合理的预测. 展开更多

关键词 碱性阴离子交换膜燃料电池 阴离子交换膜 碱稳定性 阳离子基团

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