国产材料燃料电池膜电极的制备与性能研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、运行温度低和稳定性能好等优点,在航天、潜艇、电动车等领域有广泛的应用前景。为使PEMFC能够早日实现商品化生产,各国科研工作者正在致力于相关材料的研究,力图降低PEMFC成本,提高PEMFC的性能。其中,膜电极(MEA)的关键材料与技术,成为制约PEMFC实现产业化和商业化的主要因素,对PEMFC膜电极的关键材料及其制备方法的研究,具有重要的实用价值和理论意义。本文选择以氢气为燃料、空气为氧化剂的车用质子交换膜燃料电池的条件为测试条件,旨在研究国产PEMFC的核心材料以及全国产材料燃料电池膜电极在商业化进程和现实中应用的前景。在国产燃料电池核心材料选取方面,本文做了包括质子交换膜、碳纸、Pt/C催化剂在内核心材料的性能研究。对国内商业化或者半商业化的核心材料进行横向性能对比,并与当前普遍使用的进口核心材料进行对比。通过微观表征以及电池的极化曲线分析国产燃料电池核心材料与进口材料在构造和性能上的差异,并选取出性能优异的国产燃料电池的核心材料。在膜电极制备方面,通过对MEA的制作过程及发电性能测试,确定了适合国内核心材料的制备方法。用该种方法制备MEA,并通过电池的极化曲线等方法深入研究了膜电极制备条件、组分含量等对电池性能的影响。使用改进后的工艺制备全国产材料的膜电极电池性能提高30%,并进行放大实验,在常用电流密度下,电池性能下降很小。综上所述,本论文工作对指导选取低廉优异的国产燃料电池关键材料、质子交换膜燃料电池膜电极的制备和改进、简化电极制备工艺具有重要的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 燃料电池的特点
• 1.1.2 燃料电池分类
• 1.1.3 燃料电池的应用
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.2.1 PEMFC的组成和工作原理
• 1.2.2 PEMFC的优点及应用
• 1.2.3 PEMFC概况
• 1.3 PEMFC的膜电极
• 1.3.1 膜电极的组成
• 1.3.2 膜电极的制备
• 1.4 本论文研究的意义及主要研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验药品及仪器
• 2.2 膜电极的制备方法
• 2.2.1 质子交换膜的预处理
• 2.2.2 基底层的疏水化处理
• 2.2.3 平整层的制备
• 2.2.3 热压工艺的膜电极的制备
• 2.2.3 CCM工艺的催化层的制备
• 2.3 单电池操作过程
• 2.3.1 单电池的组装
• 2.3.2 评价装置
• 2.4 分析、评价手段
• 2.4.1 单电池性能评价
• 2.4.2 扫描电镜测定
• 2.4.3 孔隙率测定
• 2.4.4 表面张力测定
• 2.4.5 红外光谱
• 2.4.6 总孔隙率测定
• 2.4.7 亲/疏水孔隙率测定
• 2.4.8 循环伏安法
• 第3章 PEMFC国产核心材料的性能研究
• 3.1 国产质子交换膜的性能比较
• 3.1.1 红外图谱分析
• 3.1.2 不同质子交换膜对电池性能的影响
• 3.2 国产Pt/C电催化剂的性能比较
• 3.2.1 循环伏安测试
• 3.2.2 国产Pt/C电催化剂的电化学测试
• 3.3 国产碳纤维纸的性能比较
• 3.3.1 碳纤维纸的SEM形貌
• 3.3.2 国产碳纸的电化学测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 高性能国产材料PEMFC膜电极的制备
• 4.1 膜电极的制备工艺方法以及条件对电池性能的影响
• 4.1.1 膜电极的制备方法对电池性能的影响
• 4.1.2 热压条件对膜电极的电池性能的影响
• 4.2 扩散层结构的初步研究
• 4.2.1 碳纸疏水性对电池性能的影响
• 4.2.2 扩散层中PTFE含量对单电池性能的影响
• 4.2.3 平整层厚度对电池性能的影响
• 4.3 催化层结构的研究
• 4.3.1 催化层中Nafion溶液对单电池的性能的影响
• 4.3.2 催化层中Pt载量对单电池的性能的影响
• 4.4 单电池面积放大实验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢