一体式可再生质子交换膜燃料电池膜电极研究

摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFCs)是一种高效的能量转换装置,同时其具有环境友好、工作温度低、启动速度快、寿命长、比能量高等优点,被认为是一种很有应用前景的“绿色”技术。一体式可再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cells,URFCs)是基于PEMFC技术的、同时具有燃料电池和水电解器功能的高效储能系统,与太阳能等清洁能源结合,可以在空间或潜艇等特殊运用场合发挥巨大的作用。
　　本论文从催化剂层制备、气体扩散层(Gas Diffusion Layers,GDLs)的疏水处理、水电解模式供水方式及其寿命问题等多个方面,采用扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安法(CV)和常规性能测试方法等评价了URFC中膜电极和催化剂单电极的性能,研究了以上各种条件与电池不同模式下性能的关系。
　　创新膜电极制备中采用了化学还原原位铂生长法将Pt催化剂直接沉积到喷有碳粉层的Nafion膜表面,并与商业Pt/C催化剂滴加法和Pt溅射法等在CV测试中进行了性能对比。实验表明Pt以纳米线簇的方式生长在碳粉颗粒表面,宏观上成绒毛状,外疏内密,理论上其外疏内密的朝向有利于氧气的催化还原反应。对比其他样品可知原位铂生长电极展现出了一定的催化性能,在相同催化剂载量下,原位铂生长法制备的催化剂活性比商业催化剂稍低,但大幅优于溅射制得的Pt催化剂层。新方法制备的单电池在测试中(氧气环境)性能可达1.3Acm-2/0.5V,最高的输出功率为0.64Wcm-2。
　　膜电极研究中结合了从氧电极、从氢电极和双向供水三种不同模式,对URFC的燃料电池(Fuel Cell,FC)和水电解(Water Electrolysis,WE)性能进行了评价。实验表明采用0.12mgcm-2的Pt载量(50％Pt/C)氢电极催化剂,0.80mgcm-2双效氧电极催化剂(Ir:Pt=1:3)的MEA可达本实验中最佳性能:FC模式0.64Acm-2/0.60V;WE模式2.18Acm-2/1.80V。另外,不同供水方式对WE模式性能的影响随碳纸疏水性的变化而改变。例如MEA采用疏水比例为20.68%的氧电极碳纸时,供水模式的优劣顺序为“氧电极=双向>氢电极”;而疏水比例为29.97%时,顺序变为“双向>氢电极>氧电极供水”。
　　对URFC水电解器寿命的研究证实了URFC的水电解模式可以至少正常运行140h以上,但该运行过程持续伴随着性能下降,且下降速率逐渐变慢至趋于匀速,在有限的时间内未观测到水电解器趋于性能稳定。在0-6h内处于骤降,在6h后下降速率保持相对稳定。另外,在40h间歇测试中,每次间歇后性能都处在不稳定状态,但各段峰值电流都保持在一定范围内,整体上没有大幅度的性能下滑。另外从单段持续测试的性能曲线来看,其下降斜率也在逐渐减小,性能逐渐趋于相对稳定。
　　总之,本文提出的化学还原原位铂生长法可以认为是一种简便高效的MEA制备方法;另外经过对催化剂、扩散层和供水模式等的综合优化,可以制得性能良好且有一定长时稳定性的燃料电池MEA。上述工作将为URFCs(包括PEMFCs)的开发研究提供有益帮助和指导。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 燃料电池研究

1.3 可再生燃料电池研究

1.4 PEMFC及URFC研究进展与应用

1.5 本论文的主要研究内容

第二章 实验内容总述

2.1 实验材料与实验仪器设备

2.2化学还原原位纳米铂生长法用于燃料电池膜电极制备

2.3 结合供水模式的URFC膜电极优化研究

2.4 URFC水电解过程寿命的初步研究

第三章 原位纳米铂生长用于PEMFC膜电极制备的研究

3.1 引言

3.2 新型Pt催化层表面结构观察

3.3 对原位铂生长法制备电极的电化学研究

3.4 FC模式单电池测试

3.5 本章小结

第四章 结合供水模式的URFC膜电极优化研究

4.1 引言

4.2 URFC微结构观察

4.3 催化剂载量研究

4.4 气体扩散层疏水性能研究

4.5 URFC供水模式研究

4.6 本章小结

第五章 URFC水电解器寿命的初步研究

5.1 引言

5.2 URFC连续测试与间歇测试性能衰减研究

5.3 本章小结

第六章 结束语

6.1 本论文的主要结论及创新点

6.2 主要不足与后续工作展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

参加课题情况