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高温质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究

李微微  
【摘要】:高温质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度为100-200℃,相对于低温燃料电池(通常低于80℃)的PEMFC有更快的化学反应动力学;能改善和简化水管理系统;更高效的热管理和改善了环境耐受性,这些优点使得高温PEMFC被认为是下一代燃料电池的有力竞争者。高温条件下磷酸掺杂的聚苯并咪唑类聚合物膜能使电池很好的运行,这类聚合物膜是研究的较多,较成熟的高温膜。这其中聚(2,5-苯并咪唑)(AB-PBI)是一种结构简单,合成方便的PBI,以结构的特殊性使其呈现了较好的质子电导率。本研究所采用质子交换膜均为AB-PBI。膜电极(MEA)是燃料电池的重要组件,是电化学反应的重要场所,也是研究燃料电池的首要研究对象。 本文从燃料电池运行过程中所产生的极化入手,考察了粘结剂的分子量,造孔剂,阴阳极催化剂担载量,阴阳极粘结剂的比例等因素对膜电极性能的影响,并初步考察了用催化剂涂覆膜(CCM)法制备膜电极。主要内容如下: (1)针对活化极化,采用了改变催化剂中的粘结剂AB-PBI分子量的方法。实验用自制AB-PBI膜作为电解质,制备了不同分子量AB-PBI的催化剂浆料。通过极化曲线测试可以宏观上得出聚合物分子量越小,MEA性能越好。进一步对膜电极交流阻抗性质进行了研究,并经Zsimpwin软件拟合,得出在分子量为2.31×10~5时,电池性能最好。降低活化极化还采用了添加造孔剂的方法.在选用的三种造孔剂中,硝酸钠的造孔性能最好,其次是草酸铵,最差的是硫酸铵。 (2)针对欧姆极化,采用了CCM方法。从理论上讲,用CCM法制备的膜电极接触电阻显著降低,性能会有所提过,而实验发现用AB-PBI做质子交换膜的高温燃料电池性能并没有显著提高,具体原因需进一步验证。 (3)实验还优化了质子交换膜的制备工艺,得出MEA制备的最佳工艺条件为:阳极催化剂担载量为1mg/m~2;阴极催化剂担载量为2mg/m~2;阳极聚合物的比例为5wt.%;阴极聚合物的比例为15wt.%。


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