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Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响
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   收稿日期 :2001202224

   基金项目 :中国科学院 “九五” 重大项目 (KY 95T 205201) ; 中国科

学院创新工程近期重大项目 (KGCX 12Y 204)

   作者简介 :于景荣 (1970— ) , 男 , 安徽省人 , 博士生 , 主要从事质子 交换膜燃料电池的关键材料和系统研究。    Biography :YU Jing 2rong (1970— ) , male , candidate for Ph D.    联系人 :衣宝廉 Nafion 膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响

于景荣 ,   衣宝廉 ,   韩   明 ,   毕可万 ,   杜学忠 ,   明平文

(中国科学院 大连化学物理研究所 燃料电池工程中心 , 辽宁 大连 116023)

摘要 :采用不同厚度 Nafion 膜 (Nafion 117,115,1135,112和 101) 组装质子交换膜燃料电池 (PEMFC ) , 通过测试电池极 化曲线 (U/I ) , 研究 Nafion 膜厚度对 PEMFC 工作性能 、 氧气还原反应的电极动力学参数和电池内阻的影响 , 通过线性 回归分析不同厚度 Nafion 膜组装 PEMFC 的内阻计算了 Nafion 膜材料的电导率 。 实验结果表明 :(1) 降低电解质膜的厚 度将会降低电池的内阻 , 从而有利于提高 PEMFC 的工作性能 ; (2) 随着膜厚度的降低 , U 0值有降低的趋势 , Tafel 斜率 b 值变化不明显 ; (3) 厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性 , 其主要原因是质子传质极化引起的 ; (4) 80℃ 时 Nafion 膜材料的电导率约为 0. 077Ω-1? cm -1。

关键词 :质子交换膜燃料电池 ; 质子交换膜 ;Nafion 膜 ; 电池性能 ; 膜电导率

中图分类号 :TM 911. 4   文献标识码 :A   文章编号 :10022087X (2001) 0620384203

Influence of the Nafion membrane thickne ss on the performance

of proton exchange membrane fuel cells

YU Jing 2rong , YI Bao 2lian , HAN Ming , B I K e , 2, (Fuel Cell R &D Center , Dalian Instit ute of of 116023, Chi na ) Abstract :The (fuel cells (PEMFC ) fabricated with Nafion , as Nafion 117, 115, 1135, 112and 101, were evaluated in order to effects of the Nafion membrane thickness on the performance of PEMFC , electrode kinetic parameters of oxygen reduced reaction , and internal resistance of the cells. Meanwhile , the conductivity of the Nafion membrane material was calculated by linear regressing the internal resistance of the PEMFC with Nafion membranes of different thicknesses. The results show that :(1) the performance of PEMFC with thinner membrane is improved because of its low value of cell internal resistance ; (2) the value of U 0reduces with the decrease of the Nafion membrane thickness and the Tafel slope is not dependent on the Nafion membrane thick 2ness ; (3) the polarization curve of the cell with a thick membrane , such as Nafion 117, deviates greatly from linearity at a low current density , which can be explained as that the mass transport limitation is originated from proton transport due to long 2distance diffusion from the anode to the cathode ; (4) the conductivity of the Nafion membrane material at the temperature of 80℃ is estimated in the order of 0. 077Ω-1? cm -1.

K ey w ords :proton exchange membrane fuel cells ; proton exchange membrane ; Nafion membrane ; cell perfor 2mance ; membrane conductivity

   质子交换膜燃料电池 (PEMFC ) 由美国通用电气公司于 20

世纪 60年代首先研制开发 , 作为双子星座宇宙飞船的电源 , 其 中采用聚苯乙烯磺酸膜作为质子交换膜 (PEM ) , 由于聚苯乙烯 磺酸膜的电化学氧化降解 , 其使用寿命仅有 500h [1]。 1966

年 , 美国 Du Pont 公司生产的 Nafion 膜首次应用于 PEMFC , 其

使用寿命可超过 57000h , 从而使 PEMFC 的研究前景变得广 阔 [2~4]。    Nafion 膜是全氟磺酸聚合物质子交换膜 , 具有电导率高 、 电化学与化学稳定性好 、 气体渗透性低等优点 [5]。为了减少制

膜树脂的用量 , 降低生产成本 , 以及提高 PEMFC 的工作性能 ,

美国 Du Pont 公司推出了不同厚度 Nafion 膜 , 继 Nafion 117和

Nafion 115之后 , 出现了 Nafion 1135、 Nafion 112和 Nafion 101,

483  研   究   与   设   计    

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