基於非氟質子交換膜的新型膜電極製備基礎研究

《基於非氟質子交換膜的新型膜電極製備基礎研究》是依託清華大學，由王樹博擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於非氟質子交換膜的新型膜電極製備基礎研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王樹博
• 項目類別：青年科學基金項目
• 批准號：51003053 

項目摘要

在全氟磺酸膜膜電極（MEA）的製備工藝基礎上，通過分析影響MEA發電性能的各項影響因素，結合自製磺化聚醚醚酮、磺化聚醚、磺化聚醯亞胺、磺化聚醚碸、磺化聚醚酮碸、聚苯並咪唑等多種非氟膜材料的分子結構特性，通過設計新型基於芳香聚合物的質子交換膜溶液、最佳化多層電極結構，促進催化層與電解質膜之間的結合、提高質子和電子等在各界面的傳質，改進各極化區的影響，製備出高性能的非氟膜MEA，並使其性能達到或超過Nafion膜MEA的發電性能。深入了解基於芳香聚合物的質子交換膜溶液設計的關鍵；電化學活性表面積對活化極化的影響；多催化層本身的電阻、膜電阻、膜與催化層之間的接觸電阻以及其它接觸電阻對歐姆極化的影響；催化層以及擴散層的厚度、孔隙率及親水/憎水性對傳質極化的影響等，在濕法多層電極結構MEA的研究基礎上，提出一條新型製備非氟膜MEA的路線，從而為推動非氟膜的商業化進程打下堅實基礎。

結題摘要

非氟質子交換膜與全氟磺酸膜的結構差異使得套用傳統膜電極製備工藝製備的非氟膜膜電極的發電性能遠低於全氟磺酸膜的膜電極，限制了低成本、高性能非氟質子交換膜的實際套用。本課題通過分析影響膜電極發電性能的各項影響因素，結合自製非氟膜的分子結構特性，通過設計新型質子交換膜溶液及最佳化質子導電樹脂的分子量，增強了催化層與非氟膜之間的緊密結合、提高了催化層中質子導電高分子的分散程度，從而降低了催化層與非氟膜之間的界面阻抗、增大了催化層的電化學活性面積、降低了膜電極在活化極化和歐姆極化區的阻抗、提高了膜電極的發電功率密度；在全氟磺酸膜膜電極CCM（Catalyst Coated Membrane）法製備工藝基礎上，研發了適合非氟膜膜電極的CCM法新工藝，通過套用新CCM工藝製備非氟膜膜電極，進一步增強了催化層與非氟膜之間的結合力、減小了界面阻抗、增加了三相反應界面、提高了催化層的電化學活性面積，從而顯著降低了膜電極歐姆極化區的阻抗、提高了膜電極的發電功率密度；通過最佳化多層和多孔電極結構，一定程度上改善了催化層孔隙率、提高了非氟膜的有效面積、增大了催化層與非氟膜之間的接觸面積、提高了催化層電化學活性面積、降低了膜電極的阻抗，從而進一步促進了非氟膜膜電極發電功率密度的提高。通過本課題對非氟膜膜電極製備方法的研究以及對膜電極包括極化曲線、交流阻抗、循環伏安、掃面電鏡等性能的測試和分析，製備出了功率密度顯著提高的非氟膜膜電極，使得以磺化聚芳醚碸作為阻醇質子交換膜的直接甲醇燃料電池的最大功率密度從19mW/cm2提高到了80 mW/cm2，以聚（2,5苯並咪唑）作為高溫質子交換膜的氫氧燃料電池的最大功率密度從280 mW/cm2提高到了490 mW/cm2，從而為推動非氟膜的商業化進程打下堅實基礎。