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《武汉理工大学》 2007年
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疏水粘结剂对CCM催化层电性能和耐久性的影响

王洪红  
【摘要】:CCM (Catalyst Coated Membrane, CCM)型膜电极是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)的核心组件,由质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)及涂覆于其两侧的催化层(Catalyst Layers)三部分组成。其中,催化层由Pt/C电催化剂和粘结剂(Nafion树脂/PTFE树脂)组成,是膜电极中燃料电池进行电化学反应的场所,其制备工艺与结构不仅直接影响燃料电池的性能和耐久性,同时对降低电池成本、提高比功率、加快燃料电池的商业化进程均至关重要。目前,基于亲水催化层的CCM的一个重要问题是水淹电极。分析表明,调节催化层的亲疏水结构可以很好地处理水淹电极的问题。本论文采用乳液法制备工艺,向亲水催化层(组分按质量比,Pt/C:Nafion=3:1)中添加不同量的疏水粘结剂PTFE,通过调节Nafion和PTFE的比例,制备由全亲水到亲疏水混合再到全疏水的CCM催化层样品。通过对个样品进行接触角测试、扫描电镜表面形貌分析、孔径分布和孔隙率、单电池性能测试、循环伏安曲线测试、交流阻抗测试、化学速降解实验、多周期循环伏按测试,以及失水-溶涨实验,分析和比较了不同含量的PTFE对催化层亲疏水性、孔结构、电性能和耐久性的影响。研究得出以下结论: (1)开发了一种特殊的乳液法制备工艺,可制备出亲疏水性可调的CCM催化层。 (2)随催化层中疏水剂PTFE含量的增加,催化层的疏水性和排水能力增大,提高了电极在高电流密度下的电性能;但若PTFE含量过高,会降低电极在低电流密度下的电性能,不利于电极性能的整体提高。综合比较得出,CCM催化层中PTFE的最佳含量为5#CCM催化层(质量比,Pt/C:Nafion:PTFE=3:1:1/3)中的含量。 (3)催化层中加入粘结剂PTFE后,其孔隙率明显提高(由28.6%最高可提高到47.6%),且形成了三峰状孔径分布。 (4)催化层中加入粘结剂PTFE后,其耐久性显著增加。原因是,一方面,PTFE本身比Nafion粘结性和稳定性要好;另一方面,含PTFE的催化层在制备过程中的热处理工艺,改善了Nafion的稳定性。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM911.4

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