聚苯胺修饰质子交换膜燃料电池电极的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有低温操作、能量密度高、无污染、快速启动等特性，是作为未来移动动力源的最佳选择之一。但是，由于PEMFC输出电能是一个电化学反应、气体传递、质子传递和电子传导过程的串联，气体和质子传递速度远低于电子传导速度。瞬间加载大电流，电池会因为欠气而造成输出电压降至零甚至反极，严重影响电池寿命，因而对PEMFC功率支援成为一件很有意义的事情。聚苯胺是一功率密度高、廉价、合成工艺简单的超级电容器材料。本文首次提出把超级电容器材料聚苯胺和Pt／C电催化剂混合作为PEMFC电池催化剂，为解决PEMFC动态响应问题提出新思路。本文中通过充放电测试，确定在合成时硫酸浓度为0.5mol／L，反应时间为7小时聚苯胺获得最大比电容值165F／g。经循环伏安实验利用Ardizzone模型得知，聚苯胺有很大的电容潜力，还有约180F／g比电容未被利用。由于聚苯胺的自身特点，1000次充放电实验表明其随着充放电次数的增加比电容量衰减，但很快会达到稳定。对混合法得到的聚苯胺-Pt／C催化剂进行循环伏安、计时电流实验和对其组成的单电池性能测试显示，当聚苯胺含量为10％时，聚苯胺可以增加Pt／C催化剂对氧气的还原电流，能够提高电池性能。聚苯胺-Pt／C催化剂多电位阶跃时间电流实验和使用该催化剂的单电池逐级电流爬升负载测试和脉冲电流负载测试能够看出，聚苯胺可以缓冲突变电流，缓解单电池突然加载而造成的欠气现象，保护电池电压大幅度突然降低。电池负载电流在小范围内波动，聚苯胺具有平稳电池电压作用。加入聚苯胺的单电池经100小时600mA／cm2恒电流放电测试，表现出电池较稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 超级电容器
• 1.1.1 超级电容器的结构
• 1.1.2 超级电容器的原理分类
• 1.2 导电聚合物超级电容器材料
• 1.2.1 导电聚合物
• 1.2.2 掺杂导电聚苯胺
• 1.2.3 聚苯胺的合成
• 1.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.3.1 PEMFC结构
• 1.3.2 PEMFC原理
• 1.3.3 PEMFC动态负载
• 1.4 论文工作重点
• 本章小结
• 第二章 聚苯胺合成和表征
• 引言
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验试剂和仪器
• 2.1.2 实验方法
• 2.2 测试与表征
• 2.2.1 工作电极的制作
• 2.2.2 测试系统
• 2.2.3 测试仪器
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚苯胺表面形态
• 2.3.2 聚苯胺的电容性能
• 2.3.3 循环伏安电容
• 2.3.4 聚苯胺电化学稳定性
• 本章小结
• 第三章 聚苯胺-Pt/C催化剂的制备与表征
• 引言
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验试剂和实验仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 测试与表征
• 3.2.1 电化学表征
• 3.2.2 透射电镜（trans-electron microscope，TEM）
• 3.2.3 扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 催化剂的表面形态
• 3.3.2 催化剂的氧化还原性能
• 3.3.3 催化剂对电压响应
• 本章小结
• 第四章 PEMFC单电池制作测试
• 引言
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验试剂和设备
• 4.1.2 MEA制作
• 4.2 测试与表征
• 4.2.1 单电池安装与测试
• 4.2.1 动态负载测试
• 4.2.3 寿命测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 电池性能及动力学分析
• 4.3.2 电池动态响应
• 4.3.3 电池稳定性
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 设计部件结构尺寸图
• 附录B 附加曲线图
• 附录C 主要符号说明
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢