雙極聚合物隔膜直接甲醇燃料電池中的界面行為研究

《雙極聚合物隔膜直接甲醇燃料電池中的界面行為研究》是依託北京航空航天大學，由相艷擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：雙極聚合物隔膜直接甲醇燃料電池中的界面行為研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：相艷
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

為滿足雲南省新能源產業和資源高附加值利用的發展需求，加深對雙極膜燃料電池的認知，本項目率先將雙極膜套用到直接甲醇燃料電池技術中，通過調控聚合物雙極膜和非鉑催化劑的組分和微觀結構，研究膜-膜界面和膜-催化劑界面的電化學行為，解析不同匹配方式的酸鹼雙極界面中離子遷移動力學與內部水生成的反應機制，以及膜複合方式對電池性能等影響規律；研究非鉑催化劑在陰極鹼性界面的電催化性能和催化氧還原機理，通過調控催化劑組成、形貌和尺度，篩選出適用於雙極膜的具有高選擇性非鉑陰極催化劑體系，並最佳化膜電極製備工藝和電池運行條件，以期獲得滿意的雙極膜燃料電池性能。該基金旨在建立具有自主智慧財產權的雙極膜直接甲醇燃料電池結構的基礎上，實現雲南省礦產和生物質等多種特有資源在能源產業的利用和技術儲備，為推動我國聚合物膜燃料電池的可持續發展奠定理論基礎和技術支持。

結題摘要

課題U1137602在項目執行周期中，進展順利，符合課題結題要求，保質保量的完成了既定的科研任務和目標。三家合作單位從材料合成與表征、界面理論與模型驗證、器件構築與性能最佳化三個方面系統地開展課題，合作分工明確，取得了預期的研究成果。材料合成方面，北航研究團隊採用全新的合成路線製備了系列季銨化聚醚醚酮鹼性離子交換聚合物，通過季銨基團接枝策略和微觀結構的調控最佳化得到高電導率和低溶脹的鹼性離子交換膜，成功套用於鹼性離子交換膜燃料電池。南京師範大學及北航研究團隊開發了系列多尺度貴金屬納米催化劑，通過設計不同的模板法合成策略對催化劑進行形貌調控，實現改善催化劑活性及穩定性。雲南大學研究團隊成功實現了非貴金屬催化劑在碳納米纖維紙上的直接負載。界面理論方面，北航團隊創新性地結合化學反應動力學和半導體輸運理論建立了雙極界面反應動力學模型，解析了膜界面反應對電池極化的影響，驗證了利用水生成界面開發自潤濕燃料電池的動力學可行性。進而建立了一維雙極膜水分布模型、二維膜電極水傳輸模型以及三維雙極膜燃料電池模型，系統地研究了雙極膜燃料電池的水傳輸現象和水管理策略，理論預測了實現電池自潤濕狀態的關鍵調控參數和膜電極製備策略。成功利用界面傳輸模型揭示了鹼性陰極催化層極化特性對鹼性離子交換膜燃料電池以及雙極膜燃料電池“贗濃差”極化特性的影響。器件最佳化方面，北航研究組通過最佳化雙極膜製備工藝，將鉑催化雙極膜型燃料電池乾氣運行的最大功率密度提高至327 mW•cm-2（50℃），為迄今為止文獻所報導的最高水平。首次實現了非鉑催化劑在雙極膜型燃料電池鹼性陰極催化層的套用，考察了電池長時間（250 h）自潤濕穩定工作特性及鹼性催化層的構效關係。通過對雙極界面及鹼性催化層界面關鍵工藝的最佳化控制，北航研究組採用合作單位最佳化篩選的非鉑催化劑等電極材料成功研製了雙極界面直接甲醇燃料電池樣機，獲得了可觀的電池功率性能（54 mW•cm-2，60℃），氫氧工作模式可達434 mW•cm-2（50℃）。經過四年的合作研究，聯合項目團隊發表SCI論文92篇，共申請國家發明專利15項（已授權8項），實現了對雙極聚合物膜燃料電池關鍵界面及材料從理論到實驗全面系統地分析與最佳化，形成了創新性的研究策略和技術方法，為開發智慧型、廉價的燃料電池系統開闢了新的路徑。