本文關(guān)鍵詞：燃料電池膜電極制備方法及性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)作為一種高效、清潔的能量轉(zhuǎn)化裝置,它能夠?qū)?chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因此在中小型發(fā)電站、家庭式熱電聯(lián)供裝置、車用動(dòng)力電源、便攜式后備電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA)是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件,是燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的主要場(chǎng)所,直接影響燃料電池的輸出性能和使用壽命。因此,它的設(shè)計(jì)與制備不僅要遵循燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本原理和特性,還要與燃料電池最終的使用條件、經(jīng)濟(jì)效益及制備方法等結(jié)合來(lái)進(jìn)行綜合考慮。不同的制備方法決定了燃料電池的工作性能、使用壽命、輔助設(shè)施、制備成本等。開(kāi)展燃料電池膜電極制備方法的研究對(duì)加快燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。本論文通過(guò)三種膜電極制備方法,包括超聲噴涂法(ultrasonic spraying)、氣動(dòng)噴涂法(pneumatic spraying)、靜電噴涂法(electrospraying)。通過(guò)對(duì)不同方法制備的膜電極進(jìn)行表征,包括電極表面形貌(SEM)、交流阻抗譜(EIS)及催化層界面電阻率、電化學(xué)活性面積(ECSA)、滲氫電流密度(LSV)以及電池放電極化性能(Ⅳ)等來(lái)說(shuō)明膜電極制備方法的特性。研究發(fā)現(xiàn),靜電噴涂法和超聲噴涂法比單純的氣動(dòng)噴涂法制備的膜電極的催化層表面平整,Nafion樹(shù)脂分布均勻,催化層厚度均一,表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,尤其是靜電噴涂法以其獨(dú)特的高壓電暈放電方式使得催化劑團(tuán)聚體帶負(fù)電發(fā)生“同性相斥”作用,能夠有效阻止粘結(jié)劑Nafion樹(shù)脂的團(tuán)聚,而氣動(dòng)噴涂方法中這種團(tuán)聚現(xiàn)象被大量發(fā)現(xiàn),Nafion樹(shù)脂發(fā)生團(tuán)聚不僅起不到傳遞質(zhì)子的作用反而會(huì)減少了催化層的反應(yīng)有效面積,降低膜電極性能,同時(shí)Nafion樹(shù)脂親水的特性,也會(huì)造成團(tuán)聚點(diǎn)周圍出現(xiàn)局部水淹現(xiàn)象,這一點(diǎn)在Ⅳ性能曲線上的濃差極化區(qū)域尤為明顯。另外,通過(guò)對(duì)膜電極界面電阻率的測(cè)量發(fā)現(xiàn),不同制備方法制備的膜電極催化層的界面電阻率不同,靜電與超聲噴涂方式制備的膜電極界面電阻率接近,而氣動(dòng)噴涂制備的膜電極界面電阻率較大,催化層界面電阻率過(guò)大不利于產(chǎn)生的電子的傳導(dǎo)。通過(guò)對(duì)膜電極制備方法的研究發(fā)現(xiàn),催化劑漿液中Nafion樹(shù)脂和催化劑在催化層內(nèi)的分散度對(duì)膜電極整體性能有很大的影響,而對(duì)催化劑漿液分散度起主要作用的是漿液的固體含量,所以有必要考察催化劑漿液固含量(0.5%,1.0%,2.0%)不同對(duì)膜電極性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),添加Nafion樹(shù)脂為了增加質(zhì)子傳導(dǎo),它的分散情況對(duì)膜電極的性能影響表現(xiàn)為：粘結(jié)劑Nafion樹(shù)脂分散越均勻滲氫電流密度越低,本征內(nèi)阻越低,傳質(zhì)內(nèi)阻越低,傳質(zhì)極化區(qū)域性能表現(xiàn)更佳,但是過(guò)量Nafion的加入也會(huì)包裹催化劑使得催化劑的活性位點(diǎn)被覆蓋,影響催化層的電化學(xué)活性面積,在放電極化曲線上的電化學(xué)極化區(qū)域(200mA/cm2)和歐姆極化區(qū)域(200-1500mA/cm2)表現(xiàn)不佳,在膜電極的催化層內(nèi)既要考慮催化反應(yīng)的發(fā)生又要考慮物料及產(chǎn)物的及時(shí)傳遞。通過(guò)控制Nafion樹(shù)脂和催化劑的比例及結(jié)構(gòu)使得催化層的電化學(xué)活性面積占總活性面積的一半即保持在40-50m2/g之間。采用固含量為1.0%的漿液制備的膜電極表現(xiàn)了較好的整體性能,既能夠?qū)⒋呋瘎┑幕钚晕稽c(diǎn)最大的裸露出來(lái)又能夠?qū)⒋呋磻?yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物及時(shí)的傳遞出去,利用該配方所制備的催化劑漿液,非常適合用作噴涂技術(shù)規(guī)�；圃烊剂想姵啬る姌O產(chǎn)品。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子交換膜燃料電池 膜電極 靜電噴涂 超聲噴涂 氣動(dòng)噴涂
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-35
• 1.1 燃料電池簡(jiǎn)介12-26
• 1.1.1 燃料電池分類13-14
• 1.1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理14-16
• 1.1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的結(jié)構(gòu)及制備16-22
• 1.1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的表征方法22-26
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極制備方法26-33
• 1.2.1 接觸式膜電極制備方法27-29
• 1.2.2 非接觸式膜電極制備方法29-32
• 1.2.3 間接式膜電極制備方法32-33
• 1.2.4 結(jié)論33
• 1.3 選題意義與研究?jī)?nèi)容33-35
• 第二章 膜電極制備方法及其性能研究35-47
• 2.1 引言35-36
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分36-39
• 2.2.1 噴涂?jī)x介紹36-37
• 2.2.2 膜電極制備與組裝37-38
• 2.2.3 膜電極電化學(xué)性能表征38-39
• 2.2.4 膜電極非現(xiàn)場(chǎng)表征39
• 2.3 結(jié)果與討論39-45
• 2.3.1 膜電極表面微觀形貌表征39-41
• 2.3.2 CCM界面電阻率表征41-42
• 2.3.3 膜電極電化學(xué)性能對(duì)比42-45
• 2.4 本章小結(jié)45-47
• 第三章 催化劑漿液固含量對(duì)膜電極性能影響的研究47-57
• 3.1 引言47
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分47-50
• 3.2.1 催化劑漿液配置及膜電極制備與組裝47-48
• 3.2.2 催化劑漿液的表面張力及其與膜的接觸角測(cè)量48
• 3.2.3 膜電極非現(xiàn)場(chǎng)表征48-49
• 3.2.4 膜電極電化學(xué)性能表征49-50
• 3.3 結(jié)果與討論50-56
• 3.3.1 催化劑漿液的表面張力及其與膜的接觸角測(cè)量對(duì)比50-51
• 3.3.2 膜電極界面電阻率表征51-52
• 3.3.3 膜電極表面微觀形貌表征52-53
• 3.3.4 膜電極電化學(xué)性能對(duì)比53-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 結(jié)論與展望57-59
• 參考文獻(xiàn)59-69
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和專利69-70
• 致謝70-71

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：306523