高温质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究

发布时间：2017-05-10 22:11

  本文关键词：高温质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高温质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作温度为100-200℃，相对于低温燃料电池（通常低于80℃）的PEMFC有更快的化学反应动力学；能改善和简化水管理系统；更高效的热管理和改善了环境耐受性，这些优点使得高温PEMFC被认为是下一代燃料电池的有力竞争者。高温条件下磷酸掺杂的聚苯并咪唑类聚合物膜能使电池很好的运行，这类聚合物膜是研究的较多，较成熟的高温膜。这其中聚（2,5-苯并咪唑）（AB-PBI）是一种结构简单，合成方便的PBI，以结构的特殊性使其呈现了较好的质子电导率。本研究所采用质子交换膜均为AB-PBI。膜电极（MEA）是燃料电池的重要组件，是电化学反应的重要场所，也是研究燃料电池的首要研究对象。 本文从燃料电池运行过程中所产生的极化入手，，考察了粘结剂的分子量，造孔剂，阴阳极催化剂担载量，阴阳极粘结剂的比例等因素对膜电极性能的影响，并初步考察了用催化剂涂覆膜（CCM）法制备膜电极。主要内容如下： （1）针对活化极化，采用了改变催化剂中的粘结剂AB-PBI分子量的方法。实验用自制AB-PBI膜作为电解质，制备了不同分子量AB-PBI的催化剂浆料。通过极化曲线测试可以宏观上得出聚合物分子量越小，MEA性能越好。进一步对膜电极交流阻抗性质进行了研究，并经Zsimpwin软件拟合，得出在分子量为2.31×10~5时，电池性能最好。降低活化极化还采用了添加造孔剂的方法.在选用的三种造孔剂中，硝酸钠的造孔性能最好，其次是草酸铵，最差的是硫酸铵。 （2）针对欧姆极化，采用了CCM方法。从理论上讲，用CCM法制备的膜电极接触电阻显著降低，性能会有所提过，而实验发现用AB-PBI做质子交换膜的高温燃料电池性能并没有显著提高，具体原因需进一步验证。 （3）实验还优化了质子交换膜的制备工艺，得出MEA制备的最佳工艺条件为：阳极催化剂担载量为1mg/m~2；阴极催化剂担载量为2mg/m~2；阳极聚合物的比例为5wt.%；阴极聚合物的比例为15wt.%。
【关键词】：质子交换膜 燃料电池 膜电极 聚（2 5-苯并咪唑） 造孔剂 CCM
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-37
• 1.1 前言15
• 1.2 燃料电池简介15-18
• 1.2.1 燃料电池研究背景及历史15-16
• 1.2.2 燃料电池分类16-18
• 1.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）18-23
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池结构和工作原理19-20
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池发展现状20-23
• 1.3.4 高温质子交换膜燃料电池23
• 1.4 膜电极23-34
• 1.4.1 膜电极的结构24-30
• 1.4.2 膜电极反应30-31
• 1.4.3 膜电极的极化31-34
• 1.5 本论文的设计思想34-37
• 1.5.1 本课题的目的和意义34-35
• 1.5.2 本课题的研究内容35-37
• 第二章 AB-PBI膜的制备37-43
• 2.1 引言37
• 2.2 实验部分37-40
• 2.2.0 实验药品与仪器37-38
• 2.2.1 单体的重结晶38
• 2.2.2 AB-PBI的制备38-39
• 2.2.3 AB-PBI膜的制备和搀酸39
• 2.2.4 傅里叶变换红外光谱（FT-TR）39
• 2.2.5 搀酸量的计算39
• 2.2.6 质子电导率测试39-40
• 2.3 结果与讨论40-42
• 2.3.1 AB-PBI的红外光谱分析40
• 2.3.2 搀酸量的计算40-41
• 2.3.3 质子传导率测试41-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第三章 AB-PBI分子量对电池性能影响43-51
• 3.1 引言43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 实验药品与仪器43
• 3.2.2 AB-PBI的合成及溶液的配制43-44
• 3.2.3 气体扩散电极的制备44
• 3.2.4 单电池的组装44
• 3.2.5 粘度的测定44-45
• 3.2.6 极化曲线测试45
• 3.2.7 交流阻抗测试45-46
• 3.3 结果与讨论46-49
• 3.3.1 粘度的测定46
• 3.3.2 极化曲线测试46-47
• 3.3.3 交流阻抗测试47-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 膜电极制备工艺优化51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 实验部分51-53
• 4.2.1 实验药品51
• 4.2.2 膜电极的制备与但电池的组装51-52
• 4.2.3 正交实验52-53
• 4.2.4 电化学测试和电极表面表征53
• 4.3 结果与讨论53-61
• 4.3.1 造孔剂对电极性能的影响53-57
• 4.3.2 CCM法对膜电极性能影响的初步研究57-59
• 4.3.3 膜电极制备工艺优化59-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 5.1 结论63
• 5.2 展望63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-71
• 研究成果及发表的论文71-73
• 作者和导师简介73-74
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书74-75

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 徐燕燕;新型聚苯并咪唑类质子交换膜的制备与性能研究[D];北京化工大学;2013年

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本文编号：355593