Ag在质子交换膜燃料电池催化层中富氧作用的研究

论文摘要

陆地上质子交换膜燃料电池(PEMFC)的应用，通常以空气为氧化剂。但是空气的大部分是氮气，当空气利用率高或者电流密度大的时候，由于氧气的供应不足在催化层外易形成一层“氮气毯子”而妨碍氧气的进入，从而影响燃料电池性能。在质子交换膜燃料电池阴极反应过程中，大部分氧气要通过一层全氟磺酸树脂才能与Pt／C催化剂接触。文献报道中，银具有富氧性能，如果在阴极催化剂表面这层全氟磺酸树脂中引入银，势必会促进氧气向催化剂表面扩散，提高氧气还原反应动力学速度。 本文利用离子交换法将银负载到电极催化层中的全氟磺酸树脂孔道中；对载银质子交换膜的透氧性能进行了电化学动力学的研究，并考察了银载量、电池温度、气体相对湿度、气体流量等条件对该性能影响；对负载不同质量银的催化层的性能进行了单电池测试，并考察了温度条件的影响等。测试结果表明：第一，银具有非常明显的促进氧气在膜中传递的作用，并且温度越高，富氧效果越好；第二，银负载到电极催化层上之后，提高了电池性能，高电密下电池性能提高尤其明显；第三，对于银的载量，无论是电化学动力学测试还是单电池性能测试都表明，均以0.1％银载量的载银膜或电极表现的性能最佳。

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有关燃料电池发展的简述
• 1.3 质子交换膜燃料电池的结构特点
• 1.4 质子交换膜燃料电池电极的制备过程
• 1.4.1 PEMFC电极中引入富氧材料的设想
• 1.4.2 电极催化层的基本特点
• 1.5 富氧过程的发展与研究
• 1.6 银富氧机理的研究与发展
• 1.7 本文的工作重点
• 本章小结
• 第二章 将银负载于全氟磺酸树脂中方法的探索
• 2.1 实验方案与思路
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及药品
• 2.2.2 不同方法制备 Ag-Nafion115膜
• 2.2.3 制备全氟磺酸树脂再铸膜
• 2.2.4 Ag-再铸膜的制备
• 2.2.5 载银膜的性能和结构分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 不同方法制备 Ag-Nafion115膜的现象分析
• 2.3.2 合适的制备方法的选定
• 2.3.3 Nafion115膜和再铸膜的质子交换容量比较
• 2.3.4 载银膜的TEM分析和XRD谱图分析
• 本章小结
• 第三章 电化学方法对氧在膜中扩散的动力学研究
• 3.1 实验意义与目的
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器及药品
• 3.2.2 实验方法的设计
• 3.2.3 电化学测试
• 3.2.3 氧在膜中扩散系数的计算
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电化学测试结果分析
• 3.2.3 氧在膜中扩散系数的计算结果分析
• 本章小结
• 第四章 负载银的电极的制备与性能研究
• 4.1 试验方案与思路
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器及药品
• 4.2.2 Ag-电极的制备与表征
• 4.2.3 MEA膜电极的组合与压制
• 4.2.4 膜电极扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析
• 4.2.5 载银电极的扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析
• 4.2.6 载银端和无银端电极性能曲线比较
• 4.2.7 温度对载银电极性能提高的影响的考察
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 膜电极扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析
• 4.3.2 载银电极扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析
• 4.3.2 电池性能曲线分析与讨论
• 本章小结
• 第五章 PEMFC电极制备工艺的探索性研究
• 5.1 本章意义
• 5.2 对 CCD工艺制备的电极的SEM分析和EDS分析
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 实验仪器与药品
• 5.3.2 转移法制备CCM薄层亲水电极
• 5.3.3 直接喷膜法制备 CCM薄层亲水电极
• 5.3.4 电极制备过程中物质用量的比较
• 5.3.5 电池性能测试
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 不同工艺制备的电极的极化曲线比较
• 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢