分级多孔石墨烯载铂催化剂的制备及其在质子交换膜燃料电池中的应用

发布时间：2020-06-14 17:08

【摘要】：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC)具备能源转化效率高、环保无污染、启动方便、操作温度低等优势,在新型能源技术领域受到了广泛关注。然而PEMFC的发展也受到诸多问题困扰,水管理问题就是其中之一。为了确保PEMFC在活化极化阶段的正常运行,需要对质子交换膜进行适当增湿以减少质子传导性差引起的膜电阻;然而,增湿过程也会导致PEMFC在高电流密度区域的电池活性受到影响:在高电流密度区域,反应气体生成液态水的速率加快,多余水分未能及时排出而堵塞催化剂活性位,导致电池输出性能不稳定,即所谓的“水淹”。除了水管理问题,PEMFC需解决催化剂稳定性低、使用周期短等问题,而决定催化剂稳定性的一个重要因素就是碳载体的稳定性。碳腐蚀会对催化剂活性造成严重的负面影响,直接引起铂活性组分的脱落或团聚;使得催化剂表现出活性面积衰减,电池活性也相应发生明显衰减。本论文的工作集中在合成一种高比表面积、高导电性和高度疏水的分级多孔石墨烯载体并探究其在燃料电池上的应用。首先,我们将其与商业铂碳催化剂物理混合后制备膜电极,用于提升燃料电池在高湿度条件下的抗水淹性能。其次,我们将分级多孔石墨烯微米棒用于燃料电池阴极催化剂载体,合成了高活性和高稳定性的氧还原催化剂;进一步对催化剂进行了电化学测试和膜电极测试,从理论研究和实际应用的角度分别考察了催化剂的电池活性与载体稳定性。具体内容如下:第一章:简单总结了 PEMFC的基本原理和独特优势,指出燃料电池在高湿度条件下面临的水淹问题以及碳腐蚀导致的载体稳定性低的严峻现状,论述了本文的选题依据和研究意义。第二章:首先以氯化镁和碳酸钠为原料制备由垂直排列多孔石墨烯纳米片组成的分级多孔石墨烯微米棒(HPGR),然后通过将疏水性HPGR与商业铂碳催化剂(Pt/C)以物理混合的方式制备浆料并涂覆于质子交换膜上进行电池测试。对比于不加入HPGR的纯Pt/C,掺有HPGR的复合催化剂在一定过饱和相对湿度范围内均可保持良好的电池活性,表现出较好的抗水淹效果。第三章:分别以HPGR和导电炭黑XC-72为催化剂载体,用溶剂热法合成相应的铂碳催化剂Pt/HPGR和Pt/XC-72。进一步对Pt/HPGR,Pt/XC-72和商业Pt/C进行电化学测试,考察不同催化剂的电化学活性和载体稳定性。结果表明,Pt/HPGR在加速衰减测试前后的活性面积与质量活性基本保持不变,而Pt/XC-72与商业Pt/C都表现出较明显的碳腐蚀现象。第四章:为了进一步考察Pt/HPGR,Pt/XC-72和商业Pt/C在实际测试中的载体稳定性,我们将不同催化剂用作阴极催化剂制备膜电极并用于质子交换膜燃料电池测试。氢氧测试条件或氢空测试条件的极化曲线可以比较不同催化剂的电池活性,而加速衰减测试前后催化剂的电池活性和质量活性对比则可以反映出催化剂的载体稳定性。燃料电池测试结果与电化学工作站测试结果基本一致,Pt/HPGR表现出比Pt/XC-72和商业Pt/C更加优异的抗碳腐蚀性。第五章:总结了本论文的研究内容,并对具有高比表面积、高导电性和高疏水性的分级多孔石墨烯微米棒在燃料电池等方向的应用拓展提出了展望。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4
【图文】：

１．２．２质子交换膜燃料电池的工作原理逡逑ＰＥＭＦＣ的操作温度范围多在４０－８０邋°Ｃ，可以归类为低温电池［１８］。燃料电池逡逑的示意图如图１－１所示，电极反应如公式１．１－１．３所示。在膜电极的阳极端，阳逡逑极气体（氢气）失去电子，生成Ｈ＋并穿过中间的Ｎａｆｉｏｎ膜进入阴极端，与阴极气逡逑体（空气或氧气）发生反应产生液相水。此时，阴极和阳极间存在一定电势差，逡逑只需要借助外部电路串联阴、阳极，便能构成完整的回路：逡逑．阳极：逦Ｈ２—＞２Ｒ＋邋＋邋２ｑ－逦（１．１）逡逑２逡逑

当加湿可以避免发生阳极脱水现象。逡逑１．３．３电池性能与水管理的关系逡逑ＰＥＭＦＣ的欧姆极化曲线如图１－３所示，在ＰＥＭＦＣ测试中，电池的实际电逡逑动势始终都比理想状态下的电池电动势略小，而引起实际电动势较小的主要原逡逑因就是在于实际操作条件下存在不可避免的极化损失。这些极化损失由三部分逡逑引起活化阶段损失、欧姆阶段损失和浓差阶段损失。逡逑开路电压指的是电池处于开路状态下的电池电压Ｍ。理论情况下，没有电逡逑子通过外电路时，电池应当保持平衡状态。然而，ＰＥＭＦＣ的实际开路电位都低逡逑于平衡电位。首先，电极上存在许多杂质，杂质会占据部分电动势，造成电池逡逑的实际电动势低于理论电动势；其次，外接电路即便处在开路状态下，膜电极逡逑６逡逑

【参考文献】

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本文编号：2713098