燃料电池用增强及自增湿质子交换膜的研究

论文摘要

质子交换膜（PEM）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键部件,起到传导质子、分隔燃料和氧化剂的双重功能。PEMFC系统中广泛使用的是全氟磺酸膜,它的昂贵成本是阻碍PEMFC商业化的重要因素之一。提高电池操作温度和不增湿反应气体操作PEMFC将分别提高电池抗CO能力和简化电池系统。本文针对目前常用的全氟磺酸膜的常见问题:如操作温度较低、需要外增湿操作、机械性能较低等进行了相关改性研究。首先,采用凝胶-溶胶法制备了SiO2/Nafion 115复合膜。由于膜内SiO2具有很好的保水能力,复合膜组装的电池的性能和稳定性在电池温度为130℃时明显优于Nafion 115膜。其次,研究了碳纳米管（CNTs）增强Nafion膜,通过控制CNTs的长径比和含量可以避免复合膜的内短路。掺杂很少的CNTs就可以大幅度的提高复合膜的机械强度;同时由体积含量小,对复合膜的质子传导率影响较小。第三,以碳纳米管增强Nafion膜为基础,制备了具有三层结构的Pt/CNTs-Nafion复合膜。两侧Nafion层可以避免复合膜内短路,内层中的Pt/CNTs可以催化渗透至膜内的H2和O2反应生成水,使复合膜组装的PEMFC可以在无外增湿操作下获得稳定的电池性能。最后,以CNTs增强Nafion膜为基础,制备得到了Pt/SiO2-CNTs-Nafion三层复合膜。复合膜外层内的Pt/SiO2可以催化渗透至膜内的H2和O2反应生成水,缓解了阳极侧在无外增湿操作时的缺水问题;同时外侧的Pt/SiO2的Nafion层也可以避免内层碳纳米管可能造成的复合膜内短路问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2.2 PEMFC 技术的发展现状
• 1.3 质子交换膜的研究现状
• 1.3.1 全氟磺酸质子交换膜
• 1.3.1.1 全氟磺酸质子交换膜
• 1.3.1.2 全氟磺酸质子交换膜的微观结构和质子传导机理
• 1.3.2 部分氟化磺酸质子交换膜
• 1.3.2.1 磺化的三氟苯乙烯共聚物
• 1.3.2.2 辐射-嫁接膜
• 1.3.3 非氟质子交换膜
• 1.3.4 自增湿质子交换膜
• 1.3.4.1 质子交换膜燃料电池膜增湿的重要性
• 1.3.4.2 水在质子交换膜燃料电池中的传递机理
• 1.3.4.3 质子交换膜燃料电池膜增湿技术研究进展
• 1.3.5 耐热型质子交换膜
• 1.3.6 增强型质子交换膜的研究进展
• 1.4 论文的选题及工作重点
• 参考文献
• 2/Nafion复合膜的研究'>第二章 SiO₂/Nafion复合膜的研究
• 2.1 实验部分
• 2/Nafion复合膜的制备'>2.1.1 SiO₂/Nafion复合膜的制备
• 2.1.2 膜的物化性能表征
• 2含量的测定'>2.1.2.1 溶胶-凝胶法制备的复合膜内SiO₂含量的测定
• 2.1.2.2 膜的水溶胀性能测定
• 2.1.2.3 膜的质子传导率测定
• 2.1.2.4 膜的机械强度测定
• 2.1.3 小角X 射线衍射（SXRD）分析
• 2.1.4 燃料电池性能测试
• 2.1.4.1 膜电极三合一（MEA）的制备
• 2.1.4.2 燃料电池性能测试
• 2.1.5 复合膜的扫描电镜（SEM）表征以及EDS 分析
• 2.1.6 红外光谱分析
• 2.2 结果和讨论
• 2的含量与TEOS扩散时间的关系'>2.2.1 复合膜中SiO₂的含量与TEOS扩散时间的关系
• 2/Nafion复合膜的SEM及EDS研究'>2.2.2 SiO₂/Nafion复合膜的SEM及EDS研究
• 2/Nafion复合膜的尺寸变化率及含水率'>2.2.3 SiO₂/Nafion复合膜的尺寸变化率及含水率
• 2.2.4 膜的红外谱图研究
• 2.2.5 复合膜SAXD 表征
• 2.2.6 复合膜拉伸强度的测量
• 2.2.7 复合膜的质子电导率
• 2/Nafion复合膜的燃料电池性能'>2.2.8 SiO₂/Nafion复合膜的燃料电池性能
• 2/Nafion复合膜的燃料电池性能时间稳定性的考察'>2.2.9 SiO₂/Nafion复合膜的燃料电池性能时间稳定性的考察
• 2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管增强Nafion 复合质子交换膜的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 CNTs/Nafion 复合膜的制备
• 3.1.3 透射电镜（TEM）表征
• 3.1.4 膜的质子电导率的测定
• 3.1.5 膜的水溶胀性能测定
• 3.1.6 复合膜机械强度的测量
• 3.1.7 膜电极三合一组件（MEA）的制备
• 3.1.8 电池性能的测量
• 3.1.9 复合膜气体渗透率的测量
• 3.2 结果和讨论
• 3.2.1 碳纳米管/聚合物复合材料的增强机理
• 3.2.2 CNTs/Nafion 复合膜的力学性能
• 3.2.3 透射电镜照片结果分析
• 3.2.4 复合膜的气体渗透性能
• 3.2.5 CNTs/Nafion 复合膜的XRD 测试
• 3.2.6 CNTs/Nafion 复合膜的物化性能
• 3.2.7 CNTs/Nafion 复合膜的质子电导率
• 3.2.8 CNTs/Nafion 复合膜的燃料电池性能
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 Pt/CNTs-Nafion 增强及自增湿复合膜的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 Pt/CNTs 催化剂的制备
• 4.1.2 复合膜的制备
• 4.1.3 复合膜的物化性质表征
• 4.1.4 Pt/CNTs 催化剂以及复合膜的电镜表征
• 4.1.5 复合膜的红外光谱表征
• 4.1.6 膜电极三合一的制备
• 4.1.7 PEMFC 的组装
• 4.1.8 电池操作和评价方法
• 4.1.9 复合膜气体渗透电流的测量
• 4.1.10 电池的交流阻抗测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 复合膜的红外光谱分析
• 4.2.2 Pt/CNTs 以及复合膜的电镜照片
• 4.2.3 自增湿复合膜的物化性能
• 4.2.4 自增湿复合膜
• 4.2.5 自增湿复合膜的氢气渗透速率
• 4.2.6 自增湿复合膜的燃料电池性能研究
• 4.2.6.1 自增湿复合膜的燃料电池性能比较
• 4.2.6.2 PEMFCs 开路电压比较
• 4.2.6.3 PEMFCs 电池内阻的比较
• 4.2.7 MEA 在干气状态下的水传递循环过程
• 4.3 小结
• 参考文献
• 2-CNTs-Nafion增强及自增湿复合膜的研究'>第五章 Pt/SiO₂-CNTs-Nafion增强及自增湿复合膜的研究
• 5.1 实验部分
• 2催化剂的制备'>5.1.1 Pt/SiO₂催化剂的制备
• 5.1.2 复合膜的制备
• 5.1.3 复合膜的性质表征
• 2催化剂的XRD表征'>5.1.4 Pt/SiO₂催化剂的XRD表征
• 5.1.5 复合膜的SEM 表征及EDS 分析
• 5.1.6 复合膜的红外光谱表征
• 5.1.7 膜电极三合一的制备及PEMFC 的组装
• 5.1.8 电池操作和评价方法
• 5.1.9 复合膜气体渗透率的测量
• 5.2 结果和讨论
• 2催化剂的XRD表征'>5.2.1 Pt/SiO₂催化剂的XRD表征
• 5.2.2 复合膜的红外光谱分析
• 5.2.3 复合膜的SEM 表征
• 5.2.4 自增湿复合膜的EDS 测试结果
• 5.2.5 自增湿复合膜的物化性质
• 5.2.6 自增湿复合膜的PEMFCs 电池性能研究
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 进一步工作设想
• 作者简介
• 发表文章目录
• 致谢