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质子交换膜燃料电池复合膜的研究

刘富强  
【摘要】: 目前降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)中所用的全氟磺酸膜的成本和简化电池操作系统一直是人们关注的问题。本文的工作就围绕着上面的两个方向展开的,即通过制成以聚四氟乙烯(PTFE)为基底的不同复合膜来分别实现降低成本、增加强度和膜的自增湿的功能。 通过把全氟磺酸树脂溶解,采用溶液—浇铸法,把制得的溶液滴加到PTFE多孔膜表面上,全氟磺酸溶液依靠重力的作用浸入到多孔膜的孔内来制备全氟树脂/PTFE复合膜。全氟树脂/PTFE复合膜是用价格相对便宜的PTFE来部分代替价格昂贵的全氟磺酸树脂,可以减少全氟树脂的用量,从而来降低成本。又通过PTFE的复合作用还可以提高强度,在干态和湿态时的拉伸强度和水化/脱水过程中尺寸稳定性都比Nafion膜有所提高。因此可以把膜作得很薄,提高电池性能。全氟树脂/PTFE复合膜的PEMFC的性能已超过部分商业化的全氟膜。 通过把Pt黑和Pt/C催化剂加到全氟磺酸溶液中制得一种新结构的自增湿膜。在这种复合膜中,PTFE不但可以起到增强的作用,还可以起到使复合膜中的Pt集中在膜中靠近阳极一侧的作用。通过PTFE的增强作用可以把整个复合膜做的很薄,有利于PEMFC阴极产生的水通过膜向阳极反扩散;本论文又在质子交换膜靠近阳极一侧形成一层Pt自增湿层,复合膜中的Nation树脂切断了自增湿层的电子传导,这样阳极和阴极的反应气体在自增湿层的Pt表面反应生成水来增湿PEMFC。如果反扩散和自增湿产生的水的量不小于电迁移的量,就能实现自增湿操作。而且由于自增湿层还能减少了电池中反应气体的相互渗透,可以提高电池的开路电压。


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