降低直接甲醇燃料电池浓差极化的含磺化碳管阻水夹层的构建

doi:10.7503/cjcu20220420

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 20220420.doi: 10.7503/cjcu20220420

降低直接甲醇燃料电池浓差极化的含磺化碳管阻水夹层的构建

刘杰¹^,², 李金晟¹, 柏景森¹^,², 金钊¹(), 葛君杰¹^,²(), 刘长鹏¹^,², 邢巍¹^,²()

^1.中国科学院长春应用化学研究所, 电分析化学国家重点实验室, 长春 130022
^2.中国科学技术大学应用化学与工程学院, 合肥 230026

收稿日期:2022-06-14 出版日期:2022-11-10 发布日期:2022-07-11
通讯作者: 金钊,葛君杰,邢巍 E-mail:zjin@ciac.ac.cn;gejj@ciac.ac.cn;xingwei@ciac.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21875243);吉林省科技发展计划项目(20200201001JC)

Constructing a Water-blocking Interlayer Containing Sulfonated Carbon Tubes to Reduce Concentration Polarization in Direct Methanol Fuel Cells

LIU Jie¹^,², LI Jinsheng¹, BAI Jingsen¹^,², JIN Zhao¹(), GE Junjie¹^,²(), LIU Changpeng¹^,², XING Wei¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry，Changchun Institute of Applied Chemistry，Changchun 130022，China
^2.School of Applied Chemical Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2022-06-14 Online:2022-11-10 Published:2022-07-11
Contact: JIN Zhao,GE Junjie,XING Wei E-mail:zjin@ciac.ac.cn;gejj@ciac.ac.cn;xingwei@ciac.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21875243);the Jilin Province Science and Technology Development Program, China(20200201001JC)

1. ESM to 20220420.pdf(352KB)

摘要/Abstract

摘要：

采用直接接枝法, 将来自对氨基苯磺酸的苯磺酸官能团引入氧化多壁碳纳米管, 制得磺化多壁碳纳米管(SO₃-MCNT). 再以SO₃-MCNT为填料, 以Nafion离聚物为黏结剂, 利用超声喷涂在商业N212质子交换膜一侧构建了新的膜层, 获得了一种复合膜(SO₃-MCNT?N212). 使用SO₃-MCNT?N212制备燃料电池膜电极(MEA), 并用于直接甲醇燃料电池(DMFC)测试. 与使用普通N212膜的膜电极相比, 该膜电极的性能得到明显提升. 进一步分析表明, SO₃-MCNT膜层的引入降低了阳极向阴极的跨膜水迁移作用, 缓解了阴极的水淹, 从而降低了浓差极化, 提升了膜电极的性能.

关键词: 直接甲醇燃料电池, 质子交换膜, 磺化多壁碳纳米管, 浓差极化, 水管理

Abstract:

The sulfonated multi-wall carbon nanotubes（SO₃-MCNT） were prepared by introducing the benzenesulfonic acid functional group from 4-aminobenzenesulfonic acid into the oxidized multi-walled carbon nanotubes by a direct grafting method. The prepared sulfonated multi-walled carbon nanotubes were used as fillers and Nafion ionomer as binder to construct a new membrane layer upon one side of a commercial N212 proton exchange membrane using ultrasonic spraying， and then a composite membrane（SO₃-MCNT?N212） was obtained. The com?posite membrane was used to prepare fuel cell membrane electrode assembly（MEA） for direct methanol fuel cell（DMFC） testing. Compared with the MEA samples using ordinary N212 membrane， the performance of this MEA has been significantly improved. Further analysis showed that the introduction of the sulfonated multi-walled carbon nanotube membrane layer is able to reduce the transmembrane water migration from the anode to the cathode， alleviate the cathode flooding， thereby reducing the concentration polarization and improving the performance of the MEA.

Key words: Direct methanol fuel cell, Proton exchange membrane, Sulfonated multi-walled carbon nanotubes, Concentration polarization, Water management

中图分类号:

O646

TrendMD:

刘杰, 李金晟, 柏景森, 金钊, 葛君杰, 刘长鹏, 邢巍. 降低直接甲醇燃料电池浓差极化的含磺化碳管阻水夹层的构建. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220420.

LIU Jie, LI Jinsheng, BAI Jingsen, JIN Zhao, GE Junjie, LIU Changpeng, XING Wei. Constructing a Water-blocking Interlayer Containing Sulfonated Carbon Tubes to Reduce Concentration Polarization in Direct Methanol Fuel Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220420.

图/表 4

Fig.1 SEM image(A) and EDS spectrum(B) of SO3?MCNT

Fig.2 SEM images of cross section of SO3?MCNT?N212 membrane at different perspectives

Fig.3 XPS full survey spectra of SO3?MCNT and O?MCNT(A) and XPS spectra of S2p of SO3?MCNT(B)

Fig.4 DMFC polarization and power density curves of MEA?SO3?MCNT?N212 and MEA?N212 under 80 ℃ with an O2 flow rate of 0.3(A) and 0.6 L/min(B), schematic illustration of alleviating cathode flooding by introducing SO3?MCNT membrane layer(C)

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降低直接甲醇燃料电池浓差极化的含磺化碳管阻水夹层的构建

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