碱性燃料电池非贵金属催化剂膜电极结构和制备优化研究

发布时间：2017-06-28 06:14

  本文关键词：碱性燃料电池非贵金属催化剂膜电极结构和制备优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：能源危机和环境污染促使人们研发有效的和可持续的新能源来弥补甚至代替传统能源。固体高分子膜燃料电池(PEMFC)已被认为是最有前途的绿色能源,主要由于其高的能源利用效率,使用可再生燃料,环境污染物的低排放甚至零排放,较低的工作温度和相对快速启动。燃料电池种类繁多,根据介质(质子或氢氧根离子传输)的不同,PEMFC可以分为两类。其中以碱性阴离子交换膜为关键膜组件的碱性燃料电池(AFCs)因其具易启动,可以使用相对丰富的非贵金属催化剂而引起广泛关注。在PEMFC中,电化学反应只能发生在三相界面上,也就是膜电极上,膜电极组件(MEA)是燃料电池的心脏,其性能的好坏直接影响到燃料电池的发电性能。本论文分别采用Pt/C和氮硫双掺杂介孔碳(N-S-MPC)作为贵金属催化剂和非贵金属催化剂的典型,采用商业化的阴离子交换膜,全部采用CCS法制备膜电极,在氢气和纯氧气的条件下就MEA结构和制备优化,包括对催化层电催化剂载量,粘合层粘合剂载量以及催化剂墨水配比等问题进行详细的研究,具体结论如下:(1)改变阳极Pt/C载量时,当Pt/C载量为0.5mg cm-2时,功率密度最高。改变阴极N-S-MPC催化剂载量时,当N-S-MPC载量为3 mg cm-2时,功率密度最高。催化层载量决定了催化层厚度,我们对催化层厚度进行测量,得出N-S-MPC载量为3 mg cm-2时催化层厚度为90μm。通过催化剂载量研究表明,催化剂载量增加代表着会有更多的催化剂参与反应物反应,电池的性能会明显提升。然而催化剂载量并不是越高越高,首先载量高经济效益下降,其次催化剂载量的增加,会发生团聚减小催化剂的表面积,从而影响催化活性。(2)粘合层粘合剂的用量直接影响电池的性能。粘合剂用量为30μL时,功率密度为20.8 m W cm-2。粘合剂用量增加,功率密度开始下降,用量为40,50μL时,功率密度分别为15.3和11.4 m W cm-2。此外,粘合剂用量降低时,功率密度也开始下降。粘合剂与界面接触电阻和导电性有直接关系,粘合剂用量过低,膜和涂覆催化剂的气体扩散层不能紧密结合在一起。粘合剂过高,又会影响出现通道阻塞,影响导电性。(3)氮硫双掺杂介孔碳催化剂在酸性和碱性燃料电池中都具有良好的催化活性。(4)对催化剂墨水中催化剂与碱性离聚物的配比进行研究。当配比为3:1时,样品表现出最好的发电性能,峰值功率密度为:21.7 m W cm-2。碱性离聚物在催化层中不仅起了表面连接的材料,而且还作为粘合剂使催化剂粒子粘结在一起维持燃料电池的长时间运行。(5)对燃料电池操作温度进行研究。燃料电池的操作温度对燃料电池的性能也有很大的影响。随着温度升高电池性能不断提升,50℃时表现出的发电功率(35.1 m W cm-2)和Pt/C的发电功率(37.7 m W cm-2)相接近。一方面温度的升高,反应物携带更多的水蒸气进去MEA,降低了传质阻力,从而反应电流变大。另一方面,温度升高也有利于去除操作中引入的杂质。(6)其他两种非贵金属催化剂的初步研究表明,非贵金属催化剂在催化性能上跟Pt还是存在明显差距。但是因为其经济性和来源广泛,仍然具有一定的竞争力。
【关键词】：碱性膜燃料电池 非贵金属催化剂 粘合剂 催化剂载量 单电池发电性能
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 燃料电池概述12-23
• 1.2 膜电极组件（MEA）23-26
• 1.3 本课题提出的意义、研究内容及创新点26-29
• 第二章 实验原理及方法29-35
• 2.1 实验试剂与仪器29-30
• 2.2 催化剂的制备30-31
• 2.3 膜电极（MEA）的制备31-35
• 第三章 催化层催化剂载量及粘合层粘合剂用量研究35-42
• 3.1 引言35
• 3.2 实验步骤35-36
• 3.3 结果与讨论36-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 N-S-MPC酸性条件下发电及碱性条件下催化剂墨水配比研究42-46
• 4.1 引言42
• 4.2 实验步骤42
• 4.3 结果与讨论42-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 操作温度对N-S-MPC发电性能影响46-50
• 5.1 引言46
• 5.2 实验步骤46
• 5.3 结果与讨论46-49
• 5.4 本章小结49-50
• 第六章 总结和展望50-52
• 6.1 总结50-51
• 6.2 展望51-52
• 参考文献52-59
• 附录一 缩写及符号说明59-60
• 攻读硕士学位期间的主要科研成果60-62
• 致谢62

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