论文部分内容阅读
高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)因为其工作温度高于100°C而具有对CO耐受性强和水热管理简单等优点,成为目前的研究热点。作为HT-PEMFC的“心脏”,膜电极(MEA)直接决定着HT-PEMFC性能的好坏。MEA主要由质子交换膜(PEM)、催化层(CL)和气体扩散层(GDL)三部分组成。本论文从PEM和GDL两方面入手,制备出高性能的MEA以提高HT-PEMFC的功率密度水平。具体内容以及获得主要结果为:(1)采用原位合成的方法,通过在低聚倍半硅氧烷(POSS)的环氧端基上开环接枝合成聚2,5-苯并咪唑(ABPBI)分子链,制备出POSS为核、ABPBI为臂的ABPBI-POSS星型杂化高分子复合膜。相比于纯ABPBI膜,复合膜的优势主要体现在:1)星型杂化结构的引入促使制备复合膜的聚合物本体粘度降低,从而提升了成膜性能;2)增大聚合物内部自由空间以提高吸水吸酸性能,从而提高质子传导率。结果表明,ABPBI-1.0POSS复合膜兼具低粘度和高机械性能的优点,制备的复合膜平整度高,并且其质子传导率在180°C未加湿时达到了0.022 S/cm。(2)通过电化学合成方法在碳纸表面原位制备聚苯胺(PANI)纳米线,对其进行疏水化处理后得到网络状的PANI-S型GDL,有利于降低MEA阴极的传质阻力。相比于传统使用导电炭黑制备的XC-72型GDL,PANI-S型GDL的孔隙率从65.2%提高到77.7%,而厚度从236?m降低至193?m。这些优点将有助于HT-PEMFC功率密度的提升。(3)本论文自行设计和构建了一套HT-PEMFC测试系统,并从气体计量比、气体压力和温度等方面开展相关测试和表征工作,得到了优化的HT-PEMFC测试条件。结果表明,使用ABPBI-1.0POSS复合膜制备的MEA的功率密度达到570mW/cm~2,相比纯ABPBI膜的469 mW/cm~2提高了近22%;而使用ABPBI-1.0POSS复合膜和PANI-S型GDL共同制备的MEA,其功率密度进一步提升到了712mW/cm~2。