本文關鍵詞：堿性燃料電池非貴金屬催化劑膜電極結構和制備優(yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：能源危機和環(huán)境污染促使人們研發(fā)有效的和可持續(xù)的新能源來彌補甚至代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。固體高分子膜燃料電池(PEMFC)已被認為是最有前途的綠色能源,主要由于其高的能源利用效率,使用可再生燃料,環(huán)境污染物的低排放甚至零排放,較低的工作溫度和相對快速啟動。燃料電池種類繁多,根據(jù)介質(質子或氫氧根離子傳輸)的不同,PEMFC可以分為兩類。其中以堿性陰離子交換膜為關鍵膜組件的堿性燃料電池(AFCs)因其具易啟動,可以使用相對豐富的非貴金屬催化劑而引起廣泛關注。在PEMFC中,電化學反應只能發(fā)生在三相界面上,也就是膜電極上,膜電極組件(MEA)是燃料電池的心臟,其性能的好壞直接影響到燃料電池的發(fā)電性能。本論文分別采用Pt/C和氮硫雙摻雜介孔碳(N-S-MPC)作為貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑的典型,采用商業(yè)化的陰離子交換膜,全部采用CCS法制備膜電極,在氫氣和純氧氣的條件下就MEA結構和制備優(yōu)化,包括對催化層電催化劑載量,粘合層粘合劑載量以及催化劑墨水配比等問題進行詳細的研究,具體結論如下:(1)改變陽極Pt/C載量時,當Pt/C載量為0.5mg cm-2時,功率密度最高。改變陰極N-S-MPC催化劑載量時,當N-S-MPC載量為3 mg cm-2時,功率密度最高。催化層載量決定了催化層厚度,我們對催化層厚度進行測量,得出N-S-MPC載量為3 mg cm-2時催化層厚度為90μm。通過催化劑載量研究表明,催化劑載量增加代表著會有更多的催化劑參與反應物反應,電池的性能會明顯提升。然而催化劑載量并不是越高越高,首先載量高經(jīng)濟效益下降,其次催化劑載量的增加,會發(fā)生團聚減小催化劑的表面積,從而影響催化活性。(2)粘合層粘合劑的用量直接影響電池的性能。粘合劑用量為30μL時,功率密度為20.8 m W cm-2。粘合劑用量增加,功率密度開始下降,用量為40,50μL時,功率密度分別為15.3和11.4 m W cm-2。此外,粘合劑用量降低時,功率密度也開始下降。粘合劑與界面接觸電阻和導電性有直接關系,粘合劑用量過低,膜和涂覆催化劑的氣體擴散層不能緊密結合在一起。粘合劑過高,又會影響出現(xiàn)通道阻塞,影響導電性。(3)氮硫雙摻雜介孔碳催化劑在酸性和堿性燃料電池中都具有良好的催化活性。(4)對催化劑墨水中催化劑與堿性離聚物的配比進行研究。當配比為3:1時,樣品表現(xiàn)出最好的發(fā)電性能,峰值功率密度為:21.7 m W cm-2。堿性離聚物在催化層中不僅起了表面連接的材料,而且還作為粘合劑使催化劑粒子粘結在一起維持燃料電池的長時間運行。(5)對燃料電池操作溫度進行研究。燃料電池的操作溫度對燃料電池的性能也有很大的影響。隨著溫度升高電池性能不斷提升,50℃時表現(xiàn)出的發(fā)電功率(35.1 m W cm-2)和Pt/C的發(fā)電功率(37.7 m W cm-2)相接近。一方面溫度的升高,反應物攜帶更多的水蒸氣進去MEA,降低了傳質阻力,從而反應電流變大。另一方面,溫度升高也有利于去除操作中引入的雜質。(6)其他兩種非貴金屬催化劑的初步研究表明,非貴金屬催化劑在催化性能上跟Pt還是存在明顯差距。但是因為其經(jīng)濟性和來源廣泛,仍然具有一定的競爭力。
【關鍵詞】：堿性膜燃料電池 非貴金屬催化劑 粘合劑 催化劑載量 單電池發(fā)電性能
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-29
• 1.1 燃料電池概述12-23
• 1.2 膜電極組件（MEA）23-26
• 1.3 本課題提出的意義、研究內(nèi)容及創(chuàng)新點26-29
• 第二章 實驗原理及方法29-35
• 2.1 實驗試劑與儀器29-30
• 2.2 催化劑的制備30-31
• 2.3 膜電極（MEA）的制備31-35
• 第三章 催化層催化劑載量及粘合層粘合劑用量研究35-42
• 3.1 引言35
• 3.2 實驗步驟35-36
• 3.3 結果與討論36-41
• 3.4 本章小結41-42
• 第四章 N-S-MPC酸性條件下發(fā)電及堿性條件下催化劑墨水配比研究42-46
• 4.1 引言42
• 4.2 實驗步驟42
• 4.3 結果與討論42-45
• 4.4 本章小結45-46
• 第五章 操作溫度對N-S-MPC發(fā)電性能影響46-50
• 5.1 引言46
• 5.2 實驗步驟46
• 5.3 結果與討論46-49
• 5.4 本章小結49-50
• 第六章 總結和展望50-52
• 6.1 總結50-51
• 6.2 展望51-52
• 參考文獻52-59
• 附錄一 縮寫及符號說明59-60
• 攻讀碩士學位期間的主要科研成果60-62
• 致謝62

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