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磷酸掺杂聚[2,2’-(间亚苯基)-5,5’-二苯并咪唑](mPBI聚苯并咪唑)膜在高温下具有高质子电导率,在低成本无加湿高温聚合物电解质膜燃料电池领域具有应用前景。但高分子量mPBI聚苯并咪唑溶解性较差,且难熔,加入锂盐助溶剂浇铸获得的电解质膜力学强度差,膜电极组件制备过程繁琐,不利于实际应用。本报告采用磷酸掺杂聚[2,2’-(对氧二亚苯基)-5,5’-二苯并咪唑](OPBI聚苯并咪唑)膜作为电解质膜,以中等分子量mPBI聚苯并咪哗首次作为气体扩散电极催化层粘结剂制备膜电极组件。两种新型聚苯并咪哗在非质子溶剂中溶解度高,膜电极组件制各过程方便,操作工艺得以简化。系统考察了膜电极组件制备参数(热压过程条件和气体扩散电极催化层中的粘结剂种类和用量)对燃料电池单电池输出性能的影响,并首次利用该体系对直接丙烷燃料电池系统进行探索。
磷酸掺杂OPBI聚苯并咪唑膜力学强度高,质子电导率适中,质子电导率随温度变化无滞后现象,可以作为高温聚合物电解质膜。充分干燥电解质和气体扩散电极后制各膜电极组件的优化热压条件为150℃,1.2 Mpa下热压10分钟。在铂载量为0.5 mg Pt·cm-2条件下,采用40wt％铂碳催化剂,以中等分子量mPBI聚苯并咪唑和聚偏氟乙烯共同作为气体扩散电极催化层粘结剂,无加湿条件下优化的氢氧燃料电池160℃峰值功率密度为366 mW·cm-2,相应氢空燃料电池峰值功率密度为225 mW·cm-2。以磷酸掺杂磺化OPBI聚苯并咪唑膜为电解质,170℃氢氧燃料电池峰值功率密度为570 mW·cm-2,相应的氢空燃料电池峰值功率密度为322 mW·cm-2。新型膜电极组件用于高温聚合物电解质膜燃料电池在极化测试、恒电流测试和温度循环测试过程中表现出良好性能,和传统磷酸掺杂mPBI聚苯并咪唑膜电极组件相比,在制备过程和电化学性能方面具有优势。
在聚合物电解质膜燃料电池运行的温度范围内,由丙烷转化为丙烯、一氧化碳和二氧化碳在热力学上可以自发进行。电催化氧化脱除循环伏安测试中丙烷吸附在催化剂Pt(110)和Pt(100)晶面上。弱吸附于催化剂Pt(100)晶面上的丙烷能够被电催化氧化而脱附。丙烷在催化剂表面的吸附抑制了铂的电氧化过程。新型磷酸掺杂OPBI聚苯并咪唑膜直接丙烷燃料电池开路电压为0.55 V,峰值功率密度为0.49 mW·cm-2,该功率性能三倍于采用喷涂硅胶膜热转印Nafion膜方法制备的膜电极组件,且采用磷酸掺杂OPBI聚苯并咪唑膜电极组件性能更加稳定。在磷酸掺杂OPBI聚苯并咪唑膜直接丙烷燃料电池中,丙烷无法有效转化为不饱和烃类化合物,仅有微量丙烷被完全氧化为二氧化碳。