质子交换膜燃料电池膜电极结构和性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）体积小、环境友好、室温下快速启动、能量密度高，是未来氢能时代最理想的动力源。但是，单电池成本高、操作复杂一直是阻碍PEMFC商业化的主要原因。PEMFC的核心组件是膜电极（MEA），优化MEA的结构，改善制备工艺可以有效提高PEMFC性能，降低成本。
　　本文采用涂覆法来制备气体扩散电极（GDE），采用热压法来制备MEA。通过考察不同操作温度和不同操作压力下MEA的性能变化，来评价气体传质与水平衡这两个因素对MEA性能的影响。为了提高气体传质与保持电池内部的水平衡分别在MEA中膜两侧建立微孔层（MPL），也就是MEA的阴极和阳极分别具有“质子交换膜│催化层│微孔层│扩散层”的结构。
　　首先研究了PTFE处理碳纸的方法和工艺，即采用浸渍法对碳纸材料进行疏水化处理，优化出PTFE乳液的浸渍浓度、浸渍时间和灼烧温度、以及最佳PTFE含量。电池最高比功率可以达到0.6W/cm2，达到实验使用要求。
　　分别采用经疏水处理和未经处理的碳纸制备制备MPL，并组装成单体电池来评价MEA性能，通过SAS软件拟合其电化学参数。实验表明，对未经疏水处理的碳纸，MPL的最佳PTFE含量为40％，最高比功率为0.62W/cm2；经疏水处理的碳纸，MPL的最佳PTFE含量为30%，最高比功率达到0.63W/cm2。
　　分别采用碳酸氢铵和硫酸铵两种造孔剂材料来对MPL的孔结构进行优化。分别考察了两种造孔剂的含量对MPL孔结构以及MEA的性能影响，并优化出最佳用量。结果表明硫酸铵m:颗粒碳m为1:1时性能最佳，电池最高比功率可以达0.68W/cm2。
　　本文在催化层中也添加造孔剂，并优化出最佳造孔剂载量。结果表明，造孔剂改善了催化层的孔结构，利于反应气体的传输。对容易被淹渍的阴极进行疏水改造，并优化出最佳PTFE载量。
　　本文还研究了不同有机溶剂对催化层孔隙率的影响。采用MalvernNanoZS型纳米粒度位仪测量Nafion在不同有机溶剂中的粒度分布，使用不同溶剂制备催化层并组装成单体电池考察其性能，结果表明使用异丙醇作为溶剂电池性能最佳。

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第一章 绪论

1.1燃料电池的发展及分类

1.2质子交换膜燃料电池简介

1.3质子交换膜燃料电池膜电极组件

1.4本论文研究意义与内容

第二章 实验部分

2.1 实验药品及仪器

2.2实验方法

2.3表征方法

第三章 MEA扩散层结构和性能

3.1 碳纸的疏水处理

3.2 微孔层的制备

3.3 本章小结

第四章 造孔剂的应用

4.2 碳酸氢铵造孔剂

4.3 硫酸铵造孔剂

4.4 本章小结

第五章 催化层结构和性能

5.1 溶剂对催化层结构的影响

5.2 孔隙率的影响

5.3 疏水性阴极的研究

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

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