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质子交换膜燃料电池膜电极组成和性能研究

刘邦卫  
【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较好等优点,在航天领域、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,提高相关材料的性能。其中包括高性能Pt/C催化剂的研究、膜电极的制备。 本文研究了Pt/C催化剂的浸渍还原制备方法,通过对浸渍还原法的工艺进行优化,使所制备的Pt/C催化剂的性能得到明显改善。透射电镜(TEM)测试表明采用改进的浸渍还原法工艺所制备的Pt/C催化剂中Pt颗粒分散性好,粒径分布范围较窄((2.6~3.8nm),Pt颗粒的平均粒径为3.1nm,比表面积为90.5m~2/g;X射线衍射(XRD)分析表明所制备的Pt/C催化剂具有较小的Pt-Pt晶面间距,这有利于氧的裂解吸附,进而提高对氧还原反应的电催化活性。通过单体PEMFC膜电极的电压-电流密度曲线评价了催化剂的性能,结果表明所制备的Pt/C催化剂的电催化性能略优于进口Johnson MattheyPt/C催化剂。 在质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的催化层中加入造孔剂以减小气体反应物的扩散传质阻力。本文研究了两种新型造孔剂,分别为低分解温度的NH4HCO3和高溶解度的(NH_4)_2SO_4。实验结果表明,加入适量的造孔剂NH4HCO3,可使膜电极在H2/空气条件下的输出功率获得显著提高;加入适量的造孔剂(NH_4)_2SO_4,可使膜电极大电流工作时的性能得到明显改善。环境扫描电镜(ESEM)的测试结果表明,造孔剂的加入使膜电极催化层的孔结构得到优化,更有利于传质过程的顺利进行和提高催化剂Pt的利用率。 本文研究了以Nafion1135为质子交换膜的膜电极制备工艺,并优化设计了气体扩散层的结构。扩散层由碳纸和负载在其上的含PTFE的碳黑组成,碳黑载量3mg/cm~2时,膜电极性能最佳。初步研究表明,所制备的高性能膜电极具有一定的水调节能力,在反应气温度为25℃时,最大功率密度达到0.66W/cm~2。


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