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《武汉理工大学》 2005年
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质子交换膜燃料电池用微孔层的研究

汪圣龙  
【摘要】:在质子交换膜燃料电池的扩散层和催化层之间添加由导电碳黑和疏水剂 (PTFE)组成的微孔层(Micro-porous Layer,MPL),能很好地处理水淹电极问题, 从而提高电池的性能。本文通过一种丝网印刷技术在疏水的碳纸上复合了微孔 层。微孔层的疏水性通过测量其接触角表征,排水能力通过组装单电池的性能 表征,表面形貌用扫描电镜观察,孔结构通过压汞仪测试得到。对微孔层中PTFE 含量,成孔剂含量和孔形结构对燃料电池性能的影响进行分别了研究,同时对 所组装电池的静态内阻进行了研究。 在研究的同时发现: (1) 相比没有复合微孔层的电极,电池内阻减小很多。电池的内阻随着电流 密度的增大逐渐减小,当达到最大功率密度后,电池的内阻又逐渐增大。在高 电流密度(≥700mA/cm2) 时,阴极MPL中PTFE含量为30%的电池性能明显优 于PTFE含量为10%,50%和没有微孔层的气体扩散层,且电流密度越大,优 势越明显。微孔层形成的孔主要分布在0. 01-10 μ的范围内,且主要形成两种孔, 一种是0. 08-10 μ左右的孔,为排水通道,一种是0. 01-0. 08 μ左右的孔,为导 气通道。微孔层中0. 08-10 μ左右的孔越多,排水性能越优。 (2) NH4CL在微孔层中是一种有效的成孔剂,适量的NH4CL提高电池的性 能,特别是大电流密度下(≥900mA/cm2) ,且随着NH4CL量的增加,电池性能 先增加后降低,当NH4CL含量为50%,性能达到最佳。NH4CL对微孔层的疏 水性没有影响,相反添加NH4CL后的微孔层的疏水性有轻微的提高。随着 NH4CL含量的增加,电池的内阻减小。过量的成孔剂(70%NH4CL)导致微孔层的 表面粗糙,虽然孔隙率提高,但是电池的内阻增大。 (3) 设计了一种梯度孔结构的微孔层,梯度微孔层保持了高的孔隙率,保证了 足够的水和气的通道。理论分析表明水在梯度孔中比在直通孔中多一个由于孔 形而引起的附加毛细管驱动力,水在梯度孔中更易排出,减小电极水淹程度。 所组装的电池的性能比较得出,梯度孔结构的微孔层的单电池内阻减小,性能 更优,特别是在大电流密度下(700mA/cm2) ,其最大功率密度比含最佳成孔剂 (50%NH4CL)的直通孔微孔层提高5%左右。 (4) 应用电化学阻抗谱对燃料电池的静态内阻进行测量。结果表明燃料电池 的内阻随着燃料电池两端的夹紧压力的增加而减小,当压力达到2MPa以上时, 燃料电池的内阻基本保持不变。扩散层带有微孔层的都比没有微孔层的电池内 阻小很多,微孔层中随着PTFE含量的增加,电池的内阻有轻微的增加。微孔层 中随着成孔剂NH4CL含量的增加,电池内阻逐渐轻微的增大。梯度孔形结构的 微孔层相比直通孔的微孔层的电池内阻稍小一点。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TM911.4

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