燃料电池论文发表情况

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机自1005 白阳 1010311001 燃料电池的发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 由于FC具有不受卡诺循环限制，能量转换效率高,燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定,环保问题少,负荷应答速度快，运行质量高等优点，在50~60年代呈现第一个研制高峰，那时侧重于发展碱性FC，尽管后来未曾象预期的那样在交通工具及大型电厂获得应用，但是FC在航天飞行中取得的成功足以证明它所具有的突出优点。70年代初，由于投资减少，FC研究进入低潮。70年代末，由于材料科学的进展和世界性的能源紧缺，开发新的发电技术，提高石油、天然气和煤炭等矿物燃料的利用率又成为人们关注并具有深远意义的课题，这样FC研究又呈现第二个高潮，此时则侧重 于发展磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。现在，燃料电池作为继水力、火力和原子能之后的第四代电源止受到世界的瞩目。 熔融碳酸盐燃料电池主要是由阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板构成: (1)阳极 MCFC的阳极催化剂最早采用银和铂，为降低成本，后来改用了导电性与电催化性能良好的镍。但镍被发现在MCFC的工作温度与电池组装力的作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极的电催化剂。加入2%~10%Cr的目的是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。另外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr的含量减少会减少电解质的损失，但蠕变将增大。相比之下，Ni-Al阳极蠕变小，电解质损失少，蠕变降低是由于合金中生成了 。 (2)阴极 熔融碳酸盐燃料电池的阴极催化剂普遍采用氧化镍。其典型的制备方法是将多孔镍电极 在电池升温过程中就地氧化，但是，这样制备的NiO电极会产生膨胀，向外挤压电池壳体，破坏壳体与电解质基体之间的湿密封。改进这一缺陷的方法有以下几种: l.Ni电极先在电池外氧化，再到电池中掺Li;或氧化和掺Li都在电池外进行; 2.直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li，或在电池中掺Li: 3.在空气中烧结金属镍粉，使烧结和氧化同时完成; (3) 电解质基底 电解质基底是MCFC的重要组成部件，它的使用也是MCFC的特征之一。电解质基底由载体和碳酸盐构成，其中电解质被固定在载体内。基底既是离子导体，又是阴、阳极隔板。它必须具备强度高，耐高温熔盐腐蚀，浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，而又具有良好的离子导电性能。其塑性可用于电池的气体密封，防止气体外泄，即所谓“湿封”。 (4)集流板(双极板) 双极板能够分隔氧化剂和还原剂，并提供气体的流动通道，同时还起着集流导电的作用，因此也称作集流板或隔离板。在电池工作环境中，阴极侧的不锈钢表面生成 ，其内层又有氧化铬，二者均起到钝化膜的作用，减缓不锈钢的腐蚀速度。为减缓双极板阳极侧的腐蚀速度，采取了在该侧镀镍的措施。MCFC是靠浸入熔盐的偏铝酸埋隔膜密封，称湿密封。为防止在湿密封处造成原电池腐蚀，双极板的湿密封处通常采用铝涂层进行保护。在电池的工作条件下，该涂层会生成致密的偏铝酸铿绝缘层。 综上所述，燃料电池发展迅速，将达到相当规模。其研究开发的重点在：燃料转化用催化剂膜，降低成本，以及安全设施，储氢技术等。

背景介绍

阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）作为能量转换装置正在被深入研究。其中，阴离子交换膜（AEMs）的设计对于实现所需的AEMFCs功率输出和性能稳定性至关重要。离子从AEM的阴极到阳极，因此阴离子交换膜（AEMs）中的透过面（TP）传导路径，可作为氢氧根离子在电极之间传输短而有效的路径，能够提高燃料电池功率输出。

但当前的AEM通常具有随机分布且形状不规则的导电域，这些域易于产生各向同性电导率。为了提高TP电导率，电场和磁场已被用于在AEM中创建面向TP的结构，但性能提升幅度不大，能够通过开发同时具有磁响应性和具有阴离子导电能力的材料来规避。此外，碱稳定性对AEM也至关重要。

主要内容

鉴于此， 天津大学Michael D. Guiver教授和尹燕副教授 使用顺磁性二茂铁聚合物在磁场下制备TP取向的AEM。磁场诱导混合价态，从而实现更高的阴离子解离和增强的碱/氧化还原稳定性。

特别是，二茂铁阳离子磁响应性和阴离子电导率的结合提升了TP电导率。具体来说，本文合成了一种具有化学惰性主链的高分子量聚（乙烯基二茂铁）（PF），且PF上的配体交换激活烷基的取代基效应以提高稳定性，从而提供相应的配体交换的PF（LPF）。在PF或LPF中，从二茂铁到二茂铁的部分氧化（即电离）使混合价态聚合物具有适当的离子交换容量（IEC），以平衡令人满意的电导率和适当的溶胀/机械强度。部分电离的PF和LPF转化为氢氧化物形式，分别表示为PF-OH和LPF-OH。磁场下的溶液浇铸提供了TP取向的高导电 PF-OH和LPF-OH AEMs。

实验结果表明， 本文的AEM在95 的水中显示出160 mS cm-1 TP离子电导率，并且在95 的碱性溶液中4320小时内没有明显的离子电导率损失。由此组装的燃料电池80 和80%相对湿度的情况下实现737 mW cm-2的功率输出，在500 mA cm-2，120 和40%相对湿度的500小时下增加了3.9%的电压损失和2.2%的高频电阻的耐久性 。

相关论文以“ Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells ”为题发表在 Nature Energy 。

图文详情

图1. PF-OH和LPF-OH的合成

图2. 聚合物和膜样品的外观和光谱分析

图3. 膜表征

图4. 膜电导率和稳定性

图5. AEMFC评估

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