高溫碳質(zhì)化合物聚合物膜燃料電池及電場輔助制備膜電極的研究.pdf

1、膜電極組件(MEA)是聚合物膜燃料電池(PEMFC)的核心部件，對聚合物膜燃料電池的性能起到關(guān)鍵作用。在目前PEMFC電極技術(shù)中，催化層中的催化劑、電解質(zhì)和孔隙均是無序分布的，而結(jié)構(gòu)無序的催化層既導(dǎo)致了催化劑利用率低，又造成了反應(yīng)物、電子和質(zhì)子傳遞路徑長、阻力大等弊端。因此改善電極結(jié)構(gòu)，開發(fā)高性能的膜電極是PEMFC研究的重要課題。本文提出通過施加電場的方式輔助制備有取向結(jié)構(gòu)的PEMFC電極，從而提高垂直方向的電子和質(zhì)子通道的連通性，并

2、提高催化劑利用率。
　　 采用由微米級全極化顆粒、電解質(zhì)聚合物和溶劑組成的催化劑漿料模擬體系，用高倍光學(xué)顯微鏡直觀觀察全極化顆粒在電場下的運(yùn)動(dòng)和取向行為。從全極化顆粒取向行為的變化，外推真實(shí)催化層中取向的形成過程。
　　 在電極催化層的制備過程中施加電場，利用電場作用制備具有取向結(jié)構(gòu)的電極催化層?？疾祀妶龊痛呋瘜又饕獏?shù)對電極結(jié)構(gòu)取向的影響。表征催化層結(jié)構(gòu)，測量其電化學(xué)性能，并且進(jìn)行進(jìn)一步的燃料電池實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，電場輔

3、助制備的電極具有較小的歐姆電阻和反應(yīng)電阻，更大的電極活性面積，以及更佳的電池放電性能。
　　 近年來，人們開始積極開發(fā)以小分子碳質(zhì)化合物為燃料的聚合物膜燃料電池。但不同研究者采用的實(shí)驗(yàn)條件不一致，使結(jié)果的可比性差，同時(shí)也缺乏高溫碳質(zhì)化合物燃料電池性能方面的相關(guān)研究。
　　 在本研究中，我們以Nafion(R)115膜作為電解質(zhì)膜制備膜電極，在較高的陽極燃料和陰極氧氣進(jìn)料壓力下，分別考察了以乙醇、甲酸、二甲醚和乙二醇為燃料

4、的燃料電池在高溫條件下(100～160℃)的放電性能，并與直接甲醇燃料電池(DMFC)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)表明，相比于其余四種燃料，直接甲醇燃料電池的功率密度在所考察的溫度下均最大，而直接二甲醚燃料電池的開路電壓則最高。
　　 使用本課題組研發(fā)的改性磺化聚芳醚酮膜作為電解質(zhì)膜制各膜電極，考察了甲醇低溫液態(tài)進(jìn)料和高溫氣態(tài)進(jìn)料兩種情況下的燃料電池性能，并測試了以甲酸、乙二醇、異丙醇和二甲醚為燃料時(shí)的相關(guān)電池性能。實(shí)驗(yàn)表明，30PES/S