质子交换膜燃料电池膜电极性能及自增湿技术的研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、运行温度低和稳定性能好等优点。为使PEMFC能够早日实现商品化生产，各国科研工作者正在致力于相关材料的研究，力图降低PEMFC成本，提高PEMFC的性能。 本文研究了催化层组成对PEMFC性能的影响。制备了不同Nafion载量的膜电极，通过对其性能的研究，优化了催化层中Nafion载量。为了进一步改善膜电极性能，尝试了在催化层中加入PTFE的方法。实验结果表明，加入少量的PTFE能对膜电极内的水分进行调节，使PEMFC在高电流密度时性能得到改善。 本文开发了一种制备水管理层(Water Management Layer，WML)的新工艺。该工艺的主要特点是直接形成薄膜状WML，从而摆脱传统WML制备方法以碳纸为基底的限制。研究了该工艺各工艺参数，包括烧结温度、烧结时间、WML薄膜厚度以及组成等对PEMFC性能的影响。用PEMFC单体的电流密度-电压曲线评价了含有WML薄膜的膜电极的极化特性。实验结果表明，含有WML薄膜的膜电极性能与含有涂覆法制备的WML的膜电极性能相近，从而肯定了WML薄膜水管理能力。 本文还研究了制备催化层时使用不同有机溶剂对PEMFC性能的影响。通过对三种不同有机溶剂制备的膜电极性能的考察，表明溶剂的介电常数值对膜电极性能有重要的影响，适中的介电常数值对PEMFC性能更有利。

目录

文摘

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声明

第一章文献综述

1.1燃料电池概况

1.2质子交换膜燃料电池(PEMFC)

1.2.1质子交换膜燃料电池概述

1.2.2质子交换膜燃料电池的工作原理

1.2.3质子交换膜燃料电池单体的组成

1.2.4 PEMFC的增湿技术

1.2.5对PEMFC性能的数学模拟

1.3本课题的研究意义和内容

第二章实验部分

2.1实验药品及仪器

2.2膜电极的制备方法以及性能测试

2.2.1膜电极的制备方法

2.2.2膜电极的性能测试

第三章Nafion载量对PEMFC性能的影响

第四章催化层PTFE载量对PEMFC性能的影响

4.1外增湿条件下PTFE载量对PEMFC性能的影响

4.2无外增湿条件下PTFE载量对PEMFC性能的影响

第五章辊轧法制备PEMFC水管理层的研究

5.1 WML薄膜最佳烧结条件的确定

5.1.1烧结温度的优化

5.1.2烧结时间的优化

5.2WML薄膜膜厚对PEMFC性能的影响

5.3 WML薄膜中PTFE含量对PEMFC性能的影响

5.4WML薄膜与传统方法制备的WML性能比较

5.5采用WML薄膜替代碳纸的研究

第六章制备MEA时不同有机溶剂对PEMFC性能的影响

第七章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢