质子交换膜燃料电池阴极催化剂富氧材料的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池由于节省了石油燃料、高的能量转化率、低污染、低噪音和低的维修成本使其优越于其他的能量转化装置，并成为汽车、建筑以及充电电池等便携式电源最好的替代品。质子交换膜燃料电池通常采用空气代替纯氧作为阴极氧化剂，由于空气中O2分压仅为0.021MPa以及其余大量惰性气体的滞留作用必然造成电池电压的大量损失，如果能在电池阴极催化层内加入一种储氧、促氧材料，一定能提高阴极氧还原性能，从而提高电池性能。本文主要研究了CeO2、MnO2两种催化剂富氧材料，结合材料各自的特点，分别采用溶胶-凝胶法、化学氧化沉积法在Pt／C层内加入CeO2和MnO2制备成CeO2-Pt／C、MnO2-Pt／C复合催化剂，并通过物理方法XRD、TEM表征复合催化剂形貌和粒径分散情况，结果表明富氧材料对催化剂Pt／C有一定覆盖和聚集作用，但是粒径分散情况较好。通过三电极模拟体系检测复合催化剂制备的工作电极的性能，循环伏安表明虽然富氧材料对催化剂的活性表面有点影响，但是在氧还原上有加强作用。并通过各掺杂量比较得出2％wt CeO2、4％MnO2为最好。最后把复合催化剂作为电池阴极催化剂测试电池性能均好于没富氧材料催化剂的电池。通过循环伏安、塔菲尔图谱和交流阻抗结合曲线拟合测算复合催化剂相关的动力学参数，结果表明复合催化剂没有改变电极电子反应机制和Pt／C电极反应一样均为2电子机制，而复合催化剂降低了电极反应的极化电阻，加强了电极氧还原能力。因此能有效的提高电极氧还原性能，最后简单的分析了电池的动态响应，复合催化剂能很好缓解电池电压由于缺氧的损耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池概述
• 1.3 质子交换膜燃料电池
• 1.3.1 电极
• 1.3.2 质子交换膜
• 1.3.3 双极板
• 1.4 质子交换膜燃料电池性能影响因素
• 1.5 本课题研究的背景和意义及内容
• 本章小结
• 2-Pt/C复合催化剂的制备与研究'>第二章 CeO₂-Pt/C复合催化剂的制备与研究
• 2.1 实验方案与思路
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验仪器与药品
• 2-Pt/C复合催化剂的制备'>2.1.2 CeO₂-Pt/C复合催化剂的制备
• 2.1.3 催化剂的物理方法表征
• 2.1.4 电化学测量
• 2.1.5 催化剂PEMFC性能测定
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 催化剂热处理的热重（TGA）分析
• 2.2.2 催化剂XRD分析
• 2.2.3 催化剂TEM照片分析
• 2.2.4 催化剂的计时电流分析
• 2.2.5 催化剂的循环伏安分析
• 2.2.6 催化剂PEMFC性能测试
• 本章小结
• 2-Pt/C复合催化剂的制备与研究'>第三章 MnO₂-Pt/C复合催化剂的制备与研究
• 3.1 实验方案与思路
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器与药品
• 2-Pt/C复合催化剂的制备'>3.2.2 MnO₂-Pt/C复合催化剂的制备
• 3.2.3 催化剂的物理方法表征
• 3.2.4 电化学测量
• 3.2.5 催化剂PEMFC性能测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 催化剂XRD分析
• 3.3.2 催化剂TEM照片分析
• 3.3.3 催化剂的计时电流分析
• 3.3.4 催化剂的循环伏安分析
• 3.3.5 催化剂PEMFC性能测试
• 本章小结
• 第四章 质子交换膜燃料电池阴极富氧材料机理的研究
• 4.1 实验方案与思路
• 4.2 实验仪器与药品
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 电化学测试
• 4.3.2 单电池动态响应测试
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 催化剂的电化学比表面积和有效粒径
• 4.4.2 复合催化剂的塔菲尔图谱分析
• 4.4.3 复合催化剂的交流阻抗分析
• 4.4.4 复合催化剂的PEMFC动态响应分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢