高温质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究
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2.31×105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/m2;阴极催化剂担载量为2mg/m2;阳极聚合物的比例为5wt.％;阴极聚合物的比例为15wt.％。
质子交换膜;燃料电池;膜电极性能;交流阻抗性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
吕亚非
2012
中文
TM911.48;TM910.3
77
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）