基于非氟质子交换膜的新型膜电极制备基础研究

在全氟磺酸膜膜电极（MEA）的制备工艺基础上，通过分析影响MEA发电性能的各项影响因素，结合自制磺化聚醚醚酮、磺化聚醚、磺化聚酰亚胺、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮砜、聚苯并咪唑等多种非氟膜材料的分子结构特性，通过设计新型基于芳香聚合物的质子交换膜溶液、优化多层电极结构，促进催化层与电解质膜之间的结合、提高质子和电子等在各界面的传质，改进各极化区的影响，制备出高性能的非氟膜MEA，并使其性能达到或超过Nafion膜MEA的发电性能。深入了解基于芳香聚合物的质子交换膜溶液设计的关键；电化学活性表面积对活化极化的影响；多催化层本身的电阻、膜电阻、膜与催化层之间的接触电阻以及其它接触电阻对欧姆极化的影响；催化层以及扩散层的厚度、孔隙率及亲水/憎水性对传质极化的影响等，在湿法多层电极结构MEA的研究基础上，提出一条新型制备非氟膜MEA的路线，从而为推动非氟膜的商业化进程打下坚实基础。

非氟质子交换膜与全氟磺酸膜的结构差异使得应用传统膜电极制备工艺制备的非氟膜膜电极的发电性能远低于全氟磺酸膜的膜电极，限制了低成本、高性能非氟质子交换膜的实际应用。本课题通过分析影响膜电极发电性能的各项影响因素，结合自制非氟膜的分子结构特性，通过设计新型质子交换膜溶液及优化质子导电树脂的分子量，增强了催化层与非氟膜之间的紧密结合、提高了催化层中质子导电高分子的分散程度，从而降低了催化层与非氟膜之间的界面阻抗、增大了催化层的电化学活性面积、降低了膜电极在活化极化和欧姆极化区的阻抗、提高了膜电极的发电功率密度；在全氟磺酸膜膜电极CCM（Catalyst Coated Membrane）法制备工艺基础上，研发了适合非氟膜膜电极的CCM法新工艺，通过应用新CCM工艺制备非氟膜膜电极，进一步增强了催化层与非氟膜之间的结合力、减小了界面阻抗、增加了三相反应界面、提高了催化层的电化学活性面积，从而显著降低了膜电极欧姆极化区的阻抗、提高了膜电极的发电功率密度；通过优化多层和多孔电极结构，一定程度上改善了催化层孔隙率、提高了非氟膜的有效面积、增大了催化层与非氟膜之间的接触面积、提高了催化层电化学活性面积、降低了膜电极的阻抗，从而进一步促进了非氟膜膜电极发电功率密度的提高。通过本课题对非氟膜膜电极制备方法的研究以及对膜电极包括极化曲线、交流阻抗、循环伏安、扫面电镜等性能的测试和分析，制备出了功率密度显著提高的非氟膜膜电极，使得以磺化聚芳醚砜作为阻醇质子交换膜的直接甲醇燃料电池的最大功率密度从19mW/cm2提高到了80 mW/cm2，以聚（2,5苯并咪唑）作为高温质子交换膜的氢氧燃料电池的最大功率密度从280 mW/cm2提高到了490 mW/cm2，从而为推动非氟膜的商业化进程打下坚实基础。