燃料电池膜电极制备方法及性能研究

发布时间：2017-04-14 18:03

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)作为一种高效、清洁的能量转化装置,它能够将储存在燃料中的化学能直接转化为电能,因此在中小型发电站、家庭式热电联供装置、车用动力电源、便携式后备电源等领域具有广阔的应用前景。膜电极(Membrane Electrode Assembly, MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件,是燃料电池电化学反应的主要场所,直接影响燃料电池的输出性能和使用寿命。因此,它的设计与制备不仅要遵循燃料电池电化学反应的基本原理和特性,还要与燃料电池最终的使用条件、经济效益及制备方法等结合来进行综合考虑。不同的制备方法决定了燃料电池的工作性能、使用寿命、辅助设施、制备成本等。开展燃料电池膜电极制备方法的研究对加快燃料电池商业化进程具有重要意义。本论文通过三种膜电极制备方法,包括超声喷涂法(ultrasonic spraying)、气动喷涂法(pneumatic spraying)、静电喷涂法(electrospraying)。通过对不同方法制备的膜电极进行表征,包括电极表面形貌(SEM)、交流阻抗谱(EIS)及催化层界面电阻率、电化学活性面积(ECSA)、渗氢电流密度(LSV)以及电池放电极化性能(Ⅳ)等来说明膜电极制备方法的特性。研究发现,静电喷涂法和超声喷涂法比单纯的气动喷涂法制备的膜电极的催化层表面平整,Nafion树脂分布均匀,催化层厚度均一,表现出优异的性能,尤其是静电喷涂法以其独特的高压电晕放电方式使得催化剂团聚体带负电发生“同性相斥”作用,能够有效阻止粘结剂Nafion树脂的团聚,而气动喷涂方法中这种团聚现象被大量发现,Nafion树脂发生团聚不仅起不到传递质子的作用反而会减少了催化层的反应有效面积,降低膜电极性能,同时Nafion树脂亲水的特性,也会造成团聚点周围出现局部水淹现象,这一点在Ⅳ性能曲线上的浓差极化区域尤为明显。另外,通过对膜电极界面电阻率的测量发现,不同制备方法制备的膜电极催化层的界面电阻率不同,静电与超声喷涂方式制备的膜电极界面电阻率接近,而气动喷涂制备的膜电极界面电阻率较大,催化层界面电阻率过大不利于产生的电子的传导。通过对膜电极制备方法的研究发现,催化剂浆液中Nafion树脂和催化剂在催化层内的分散度对膜电极整体性能有很大的影响,而对催化剂浆液分散度起主要作用的是浆液的固体含量,所以有必要考察催化剂浆液固含量(0.5%,1.0%,2.0%)不同对膜电极性能的影响。研究发现,添加Nafion树脂为了增加质子传导,它的分散情况对膜电极的性能影响表现为：粘结剂Nafion树脂分散越均匀渗氢电流密度越低,本征内阻越低,传质内阻越低,传质极化区域性能表现更佳,但是过量Nafion的加入也会包裹催化剂使得催化剂的活性位点被覆盖,影响催化层的电化学活性面积,在放电极化曲线上的电化学极化区域(200mA/cm2)和欧姆极化区域(200-1500mA/cm2)表现不佳,在膜电极的催化层内既要考虑催化反应的发生又要考虑物料及产物的及时传递。通过控制Nafion树脂和催化剂的比例及结构使得催化层的电化学活性面积占总活性面积的一半即保持在40-50m2/g之间。采用固含量为1.0%的浆液制备的膜电极表现了较好的整体性能,既能够将催化剂的活性位点最大的裸露出来又能够将催化反应产生的产物及时的传递出去,利用该配方所制备的催化剂浆液,非常适合用作喷涂技术规模化制造燃料电池膜电极产品。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 膜电极 静电喷涂 超声喷涂 气动喷涂
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-35
• 1.1 燃料电池简介12-26
• 1.1.1 燃料电池分类13-14
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理14-16
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池膜电极的结构及制备16-22
• 1.1.4 质子交换膜燃料电池膜电极的表征方法22-26
• 1.2 质子交换膜燃料电池膜电极制备方法26-33
• 1.2.1 接触式膜电极制备方法27-29
• 1.2.2 非接触式膜电极制备方法29-32
• 1.2.3 间接式膜电极制备方法32-33
• 1.2.4 结论33
• 1.3 选题意义与研究内容33-35
• 第二章 膜电极制备方法及其性能研究35-47
• 2.1 引言35-36
• 2.2 实验部分36-39
• 2.2.1 喷涂仪介绍36-37
• 2.2.2 膜电极制备与组装37-38
• 2.2.3 膜电极电化学性能表征38-39
• 2.2.4 膜电极非现场表征39
• 2.3 结果与讨论39-45
• 2.3.1 膜电极表面微观形貌表征39-41
• 2.3.2 CCM界面电阻率表征41-42
• 2.3.3 膜电极电化学性能对比42-45
• 2.4 本章小结45-47
• 第三章 催化剂浆液固含量对膜电极性能影响的研究47-57
• 3.1 引言47
• 3.2 实验部分47-50
• 3.2.1 催化剂浆液配置及膜电极制备与组装47-48
• 3.2.2 催化剂浆液的表面张力及其与膜的接触角测量48
• 3.2.3 膜电极非现场表征48-49
• 3.2.4 膜电极电化学性能表征49-50
• 3.3 结果与讨论50-56
• 3.3.1 催化剂浆液的表面张力及其与膜的接触角测量对比50-51
• 3.3.2 膜电极界面电阻率表征51-52
• 3.3.3 膜电极表面微观形貌表征52-53
• 3.3.4 膜电极电化学性能对比53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 结论与展望57-59
• 参考文献59-69
• 攻读硕士期间发表的学术论文和专利69-70
• 致谢70-71

【参考文献】

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本文编号：306523