燃料电池质子拖拽引起的失水现象及增强保湿能力的改性膜研究

发布时间：2017-04-28 20:03

  本文关键词：燃料电池质子拖拽引起的失水现象及增强保湿能力的改性膜研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前传统能源石油能源越来越稀少,大量新能源形式涌现出来。这其中就包括了质子交换膜燃料电池,燃料电池以其紧凑的结构,良好的功率密度,环境友好的特点吸引了较多众多企业的关注,尤其是汽车,移动电源领域。同时,有关燃料电池的研究工作也成为了学术热点。但是,燃料电池在运行过程中依然有众多问题,其中随水含量变化的质子交换膜导电率,就是影响燃料电池性能的一个关键因素。为了有效的解决这一问题,本文中对质子交换膜中水传输机理进行了理论和实验的研究,并提出了制备含有Pt颗粒的改性膜的方法来改善电解质膜的水环境,达到降低电阻率,提高性能的目的。文章中主要内容分为以下部分:首先,文章中对质子交换膜中的水传输机理作了深入介绍和实验研究,其中第二章通过对燃料电池中物质传输现象和电荷传输现象的整体介绍之后,结合这两点引出兼有两种传输的水传输现象,并研究分析了质子拖拽现象和扩散现象对水传输的影响,再延伸到质子交换膜中的水含量改变之后,对质子交换膜高频阻抗的影响,完整地刻画了第三章中实验部分的理论基础。第三章中通过实验,确定了燃料电池在电流密度增大的过程中,高频阻抗变化趋势。由此先后测试了不同相对湿度环境下,高频阻抗和电流密度之间的关系,通过对水含量的计算考察了这一变化中质子拖拽现象的影响。且通过试验考察了质子交换膜的厚度对于高频阻抗和电流密度之间关系的影响。在经过第二章和第三章的理论和实验研究之后,第四章和第五章介绍了两种改善电解质膜的保水性能的改性质子交换膜,且对两种膜进行了一些列物理特性和单电池性能测试。第四章介绍了机械搅拌掺杂Pt/C的质子交换膜,通过SEM测试,含水率测试,环境开路高频阻抗测试确定了它的物理特性与纯Nafion质子交换膜相似。后通过单电池的测试,发现在不同的相对湿度环境下,改性膜的电池性能总要高于纯Nafion质子交换膜电池,且在环境相对湿度为65%时,性能改进最为突出。第五章介绍了通过机械掺杂四氨合硝酸铂的改性膜最终获得含有原位生长的Pt颗粒的改性膜。同样通过测试确定了其物理特性与纯Nafion质子交换膜相似。在电池性能测试中,此类改性膜在不同湿度环境下的性能也高出Nafion质子交换膜电池,但在测试相对湿度范围内没有找到性能改进最佳点。
【关键词】：水传输 高频阻抗 电流密度 改性膜 燃料电池性能
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 课题背景11-14
• 1.1.1 聚合电解质膜燃料电池（PEMFC）12-13
• 1.1.2 其他类型的燃料电池13-14
• 1.2 PEMFC中的水管理及膜中实时水传输的研究14-17
• 1.2.1 水管理概述14-16
• 1.2.2 膜中的水传输现象16-17
• 1.3 改性膜的研究进展17-20
• 1.3.1 质子交换膜简介17-18
• 1.3.2 改性质子交换膜的研究进展18-20
• 1.4 本文工作20-22
• 第二章 燃料电池中的传输理论22-30
• 2.1 燃料电池质量传输模型22-25
• 2.1.1 燃料电池中的对流和扩散22-23
• 2.1.2 守恒方程23-25
• 2.2 燃料电池中的电荷传输25-27
• 2.2.1 反应动力学模型：Butler-Volmer方程25
• 2.2.2 能斯特方程25-26
• 2.2.3 电荷传输26-27
• 2.3 燃料电池水传输理论27-29
• 2.3.1 水传输现象概述27
• 2.3.2 水在质子交换膜的传输及影响机理27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 燃料电池实时高频阻抗变化机理的实验研究30-43
• 3.1 引言30
• 3.2 实验部分30-32
• 3.2.1 试剂与原料30
• 3.2.2 实验仪器30-31
• 3.2.3 MEA的制备及单电池的装配31
• 3.2.4 测试方法31-32
• 3.3 结果与分析32-42
• 3.3.1 高频阻抗与电流密度的函数对应关系32-35
• 3.3.2 不同湿度环境下高频阻抗-电流密度之间的关系35-37
• 3.3.2.1 阴阳极对称改变湿度情况下的高频阻抗-电流密度关系对比35
• 3.3.2.2 阴极湿度改变对高频阻抗-电流密度关系曲线的影响35-37
• 3.3.3 实时高频阻抗、电流密度和相对湿度之间的数值关系建立37-40
• 3.3.4 质子拖拽现象对不同厚度的质子交换膜的电池性能影响分析40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 Pt/C改性的质子交换膜的制备及应用43-55
• 4.1 序言43
• 4.2 实验部分43-46
• 4.2.1 膜的制备43-44
• 4.2.2 膜的厚度测试44
• 4.2.3 膜的交流阻抗测试44-45
• 4.2.4 膜的含水率测试45
• 4.2.5 电池的制备及测试45-46
• 4.3 结果与分析46-54
• 4.3.1 掺杂了 Pt/C 的 Nafion~(?)改性膜的物理特性46-50
• 4.3.2 单电池的性能分析50-53
• 4.3.2.1 无掺杂的 Nafion~(?)膜和掺杂 Pt/C 的改性膜各自在不同相对湿度下的性能对比50-51
• 4.3.2.2 不同电池环境相对湿度下性能曲线对比51-53
• 4.3.3 单电池高频阻抗的变化53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 铂盐改性的 Nafion~(?)膜在燃料电池中的应用55-62
• 5.1 序言55
• 5.2 实验部分55-57
• 5.2.1 基于[Pt（NH_3）](NO_3)_2(四氨合硝酸铂)的铂纳米颗粒改性膜制备55-56
• 5.2.2 测试评估56-57
• 5.3 结果与分析57-61
• 5.3.1 四氨合硝酸铂的物理特性57-58
• 5.3.2 单电池性能对比58-61
• 5.3.2.1 四氨合硝酸铂改性膜装配的单电池的不同相对湿度性能变化59
• 5.3.2.2 四氨硝酸合铂改性膜与纯 Nafion~(?)膜不同相对湿度下电池性能对比59-60
• 5.3.2.3 单电池高频阻抗的变化60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 第六章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 致谢64-65
• 硕士期间研究成果65-66
• 参考文献66-73

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本文编号：333443