新型磷酸摻雜聚苯并咪唑膜電極組件的制備及其在燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、磷酸摻雜聚[2,2’-(間亞苯基)-5,5’-二苯并咪唑](mPBI聚苯并咪唑)膜在高溫下具有高質(zhì)子電導(dǎo)率,在低成本無加濕高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。但高分子量mPBI聚苯并咪唑溶解性較差,且難熔,加入鋰鹽助溶劑澆鑄獲得的電解質(zhì)膜力學(xué)強(qiáng)度差,膜電極組件制備過程繁瑣,不利于實(shí)際應(yīng)用。本報(bào)告采用磷酸摻雜聚[2,2’-(對氧二亞苯基)-5,5’-二苯并咪唑](OPBI聚苯并咪唑)膜作為電解質(zhì)膜,以中等分子量mPBI聚苯并咪嘩首

2、次作為氣體擴(kuò)散電極催化層粘結(jié)劑制備膜電極組件。兩種新型聚苯并咪嘩在非質(zhì)子溶劑中溶解度高,膜電極組件制各過程方便,操作工藝得以簡化。系統(tǒng)考察了膜電極組件制備參數(shù)(熱壓過程條件和氣體擴(kuò)散電極催化層中的粘結(jié)劑種類和用量)對燃料電池單電池輸出性能的影響,并首次利用該體系對直接丙烷燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行探索。
　　 磷酸摻雜OPBI聚苯并咪唑膜力學(xué)強(qiáng)度高,質(zhì)子電導(dǎo)率適中,質(zhì)子電導(dǎo)率隨溫度變化無滯后現(xiàn)象,可以作為高溫聚合物電解質(zhì)膜。充分干燥電解質(zhì)

3、和氣體擴(kuò)散電極后制各膜電極組件的優(yōu)化熱壓條件為150℃,1.2 Mpa下熱壓10分鐘。在鉑載量為0.5 mg Pt·cm-2條件下,采用40wt％鉑碳催化劑,以中等分子量mPBI聚苯并咪唑和聚偏氟乙烯共同作為氣體擴(kuò)散電極催化層粘結(jié)劑,無加濕條件下優(yōu)化的氫氧燃料電池160℃峰值功率密度為366 mW·cm-2,相應(yīng)氫空燃料電池峰值功率密度為225 mW·cm-2。以磷酸摻雜磺化OPBI聚苯并咪唑膜為電解質(zhì),170℃氫氧燃料電池峰值功率密度

4、為570 mW·cm-2,相應(yīng)的氫空燃料電池峰值功率密度為322 mW·cm-2。新型膜電極組件用于高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池在極化測試、恒電流測試和溫度循環(huán)測試過程中表現(xiàn)出良好性能,和傳統(tǒng)磷酸摻雜mPBI聚苯并咪唑膜電極組件相比,在制備過程和電化學(xué)性能方面具有優(yōu)勢。
　　 在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池運(yùn)行的溫度范圍內(nèi),由丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯、一氧化碳和二氧化碳在熱力學(xué)上可以自發(fā)進(jìn)行。電催化氧化脫除循環(huán)伏安測試中丙烷吸附在催化劑Pt(11

5、0)和Pt(100)晶面上。弱吸附于催化劑Pt(100)晶面上的丙烷能夠被電催化氧化而脫附。丙烷在催化劑表面的吸附抑制了鉑的電氧化過程。新型磷酸摻雜OPBI聚苯并咪唑膜直接丙烷燃料電池開路電壓為0.55 V,峰值功率密度為0.49 mW·cm-2,該功率性能三倍于采用噴涂硅膠膜熱轉(zhuǎn)印Nafion膜方法制備的膜電極組件,且采用磷酸摻雜OPBI聚苯并咪唑膜電極組件性能更加穩(wěn)定。在磷酸摻雜OPBI聚苯并咪唑膜直接丙烷燃料電池中,丙烷無法有效轉(zhuǎn)