本文關(guān)鍵詞： 質(zhì)子交換膜燃料電池 高溫 電池性能 氧化石墨烯 介孔　出處：《合肥工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因能量轉(zhuǎn)化率高,污染小,啟動(dòng)快,設(shè)計(jì)簡單等,受到了越來越多越高的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,需要提高其工作溫度,以降低陽極中催化劑鉑的使用量。一般的PEMFC由于電解質(zhì)材料的限制,只有在200℃下才表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。因此,研究開發(fā)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)材料是當(dāng)前PEMFC領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。聚苯并咪唑(PBI)熱穩(wěn)定性較好,機(jī)械強(qiáng)度較高,其聚合物在得失氫質(zhì)子后呈現(xiàn)氧化或還原態(tài),并能產(chǎn)生部分交聯(lián),具有良好的穩(wěn)定性,在分子間可以形成連續(xù)的氫鍵,使得傳遞氫質(zhì)子成為可能。純PBI在常溫下是絕緣體,所以需要對(duì)PBI進(jìn)行改性處理,摻雜導(dǎo)電離子,才能提高PBI的電導(dǎo)率。目前比較主流的方法是采用PBI膜浸泡到磷酸當(dāng)中,得到磷酸摻雜的PBI膜。但是在高溫的條件下,磷酸會(huì)隨著溫度過高而流失,導(dǎo)致質(zhì)子電導(dǎo)率的降低,所以PBI電解質(zhì)的工作溫度一般在170℃以下。所以需要尋找不依賴磷酸的質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì)。本文致力于尋找適用于200℃-500℃的電解質(zhì),研究其電化學(xué)性能,及在燃料電池的應(yīng)用。并希望通過進(jìn)一步摻雜和改善其微觀結(jié)構(gòu),提高電解質(zhì)的穩(wěn)定性和性能。本文嘗試采用固相法分別制備了 CeP207/BP04、CeP207/BP04/GO、CeP207、Ce3+摻雜的CeP207、SnP207、介孔SnP207,并測試它們的電化學(xué)性能。全文所得主要結(jié)論如下:(1)通過固相法制備出了 CeP207/BP04、CeP207/BPO4/GO粉體,經(jīng)壓制燒結(jié)制成電解質(zhì)。通過X射線衍射儀,掃描電子顯微鏡,同步熱分析儀等對(duì)粉體進(jìn)行表征。再利用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)性能研究。CeP207/BP04/GO復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率,溫度從200℃到250℃,電導(dǎo)率從0.09提到到0.14S·cm-1,但是在300℃電導(dǎo)率降低到0.08 S · cm-1。但是仍然高于相同溫度下CeP207/BP04的電導(dǎo)率。說明GO的加入確實(shí)可以提高復(fù)合膜的電導(dǎo)率。CeP207/BPO4/GO在250℃功率密度達(dá)到最高240 mW·cm-2,明顯高于同樣溫度下的CeP207/BP04的125mW · cm-2。表明CeP207/BP04/GO復(fù)合電解質(zhì)即便在高溫低濕度的條件下,依然有著很高的電導(dǎo)率和電池性能。(2)通過CeC13的摻雜,經(jīng)過CeO2和H3P04反應(yīng),制備出了 Ce0.9Ceo.1P2O7、CeP207粉體。XRD分析結(jié)果表明CeP207,Ceo.9Ce0.1P2O7為立方相。通過X射線光電子能譜,傅里葉紅外分析儀分析,結(jié)果可以證明低價(jià)態(tài)的Ce3+已經(jīng)成功摻入到CeP207的晶格之中。利用同步熱分析儀測試了粉體的熱穩(wěn)定性。采用交流阻抗法測試了電解質(zhì)的電導(dǎo)率。Ceo.9Ceo.1P2O7的電導(dǎo)率在160℃到200℃從0.006 S·cm-1提高到了 0.01 S·cm-1,但是在200℃之后,電導(dǎo)率會(huì)隨著溫度升高而降低,但是電導(dǎo)率仍舊高于純的CeP207。Ce0.9Ceo.1P2O7電解質(zhì)的單電池還有著更好的電化學(xué)性能,在200℃的功率密度達(dá)到最高26.6mW·cm-2,相比于CeP207最高的功率密度只有18 mW · cm-2。這些結(jié)果都表明Ce0.9Ceo.1P2O7是可以作為潛在的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)的材料。(3)通過SDS作為活性劑,采用軟模板法制備介孔的Sn02,再通過固相反應(yīng)制備介孔SnP207。通過X射線衍射儀,掃描電子顯微鏡,透射電子顯微鏡,同步熱分析儀等對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行表征。借助BJH模型,可得到其中介孔的SnP207平均顆粒約為255nm,孔隙直徑約4nm,符合介孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)(IUPA),樣品確為介孔材料。介孔的SnP207的電導(dǎo)率從180℃-220℃隨著溫度上升而提高,在220℃為0.015S·cm-1,非介孔的SnP207的電導(dǎo)率為0.0029 S·cm-1。然而,隨著溫度的上升,電導(dǎo)率發(fā)生了明顯的降低。介孔的SnP207相比非介孔的SnP207有著更好的電化學(xué)性能,在220℃時(shí),達(dá)到15mW·cm-2。而非介孔的SnP207在同樣的溫度下,功率只達(dá)到4.1mW·cm-2。
[Abstract]:In order to realize the industrialization development of proton exchange membrane fuel cell , it has been paid more and more attention . In order to realize the industrialization development of proton exchange membrane fuel cell , it is necessary to improve its working temperature to reduce the amount of catalyst platinum in the anode . The main conclusion is as follows : ( 1 ) The electrolyte material is made of CeP207 / BP04 , CeP207 / BP04 / GO , CeP207 , Ce3 + doped CeP207 , SnP207 , mesoporous SnP207 . The conductivity of the electrolyte is reduced to 0.08 S 路 cm - 1 at 300 鈩，

本文編號(hào)：1510430