质子交换膜燃料电池膜电极组成和性能研究

摘要

本文研究了Pt/C催化剂的浸渍还原制备方法，通过对浸渍还原法的工艺进行优化，使所制备的Pt/C催化剂的性能得到明显改善。透射电镜(TEM)测试表明采用改进的浸渍还原法工艺所制备的Pt/C催化剂中Pt颗粒分散性好，粒径分布范围较窄((2.6～3.8nm)，Pt颗粒的平均粒径为3.1nm，比表面积为90.5m2/g；X射线衍射(XRD)分析表明所制备的Pt/C催化剂具有较小的Pt-Pt晶面间距，这有利于氧的裂解吸附，进而提高对氧还原反应的电催化活性。通过单体PEMFC膜电极的电压—电流密度曲线评价了催化剂的性能，结果表明所制备的Pt/C催化剂的电催化性能略优于进口JohnsonMattheyPt/C催化剂。 在质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的催化层中加入造孔剂以减小气体反应物的扩散传质阻力。研究了两种新型造孔剂，分别为低分解温度的NH4HCO3和高溶解度的(NH4)2SO4。实验结果表明，加入适量的造孔剂NH4HCO3，可使膜电极在H2/空气条件下的输出功率获得显著提高；加入适量的造孔剂(NH4)2SO4，可使膜电极大电流工作时的性能得到明显改善。环境扫描电镜(ESEM)的测试结果表明，造孔剂的加入使膜电极催化层的孔结构得到优化，更有利于传质过程的顺利进行和提高催化剂Pt的利用率。 研究了以Nafion1135为质子交换膜的膜电极制备工艺，并优化设计了气体扩散层的结构。扩散层由碳纸和负载在其上的含PTFE的碳黑组成，碳黑载量3mg/cm2时，膜电极性能最佳。初步研究表明，所制备的高性能膜电极具有一定的水调节能力，在反应气温度为25℃时，最大功率密度达到0.66W/cm2。

目录

文摘

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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

1.2.1质子交换膜燃料电池的(PEMFC)概况

1.2.2质子交换膜燃料电池的工作原理及特点

1.2.3质子交换膜燃料电池系统

1.3质子交换膜燃料电池的膜电极

1.3.1概述

1.3.2膜电极的组成

1.3.3膜电极的制备

1.3.4电极结构的优化

1.3.5自增湿技术

1.4质子交换膜燃料电池的电催化剂

1.4.1电催化原理

1.4.2.电催化剂的负载工艺

1.4.2 Pt/C催化剂的制备方法

1.5 Pt/C催化剂性能的表征方法

1.5.1透射电子显微镜测试方法

1.5.2 X-射线衍射测试法

1.5.3循环伏安法

1.5.4膜电极性能测试

1.6本课题的研究背景及意义

第二章浸渍还原法制备Pt/C催化剂的工艺研究

2.1实验部分

2.1.1实验药品及仪器

2.1.2 Pt/C催化剂的制备

2.1.3碳材料的pH值测试方法

2.2结果与讨论

2.2.1碳的热处理工艺对Pt/C催化剂性能的影响

2.2.2 pH值对Pt/C催化剂性能的影响

2.2.3还原反应工艺对催化剂性能的影响

2.2.4干燥方式的影响

2.2.5自制Pt/C催化剂与Johnson Matthey Pt/C催化剂的比较

2.2.6高铂含量的Pt/C催化剂的制备

2.3本章结论

第三章高性能PEMFC膜电极的制备

3.1实验部分

3.1.1实验药品及仪器

3.1.2膜电极的制备方法

3.2结果和讨论

3.2.1膜电极制备条件对性能的影响

3.2.3造孔剂对膜电极性能的影响

3.2.4气体扩散层结构的初步研究

3.3本章结论

第四章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢