质子交换膜燃料电池单电池的组装及膜电解质电导率的测定

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量密度高、启动速度快、运行温度低、稳定性能好、模块式安装和操作方便等优点,在航天、潜艇、电动车、供电电网和固定电源等领域有广泛的应用前景。本文组装了PEMFC单电池。极板的材料为无孔石墨,体积为8.0×8.0×3.0 cm,有效面积为2.2×2.3 cm。流道的类型为平行流道,深度为2 mm,流道与脊的宽度均为2mm。利用浸渍-还原法以氯铂酸为原料,高比表面积Vulcan XC-72R型碳黑为基质制备了Pt/C催化剂,得到铂的含量为20wt.%的Pt/C催化剂;石墨化碳纸经疏水处理得到气体扩散层,并涂覆整平层、催化剂层得到薄层亲水电极。利用磷酸掺杂的聚苯并咪唑（PBI）膜及磷酸掺杂的磺化聚醚醚酮（SPEEK）与1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIMPF6）复合膜制作了膜电极（MEA）。H3PO4/PBI膜MEA的热压温度为150℃,热压压力0.4 MPa·cm-2,热压时间为5 min;H3PO4/BMIMPF6-SPEEK复合膜MEA的热压温度为80℃,热压压力0.2 MPa·cm-2,热压时间1 min。质子交换膜是PEMFC的核心部件之一。它在电池内部起到了分隔阴/阳极、传导质子的作用,其导电能力的高低直接关系着PEMFC的性能。质子交换膜的电导率是固态电解质质子交换膜的重要性质之一。本文利用PEMFC单电池模块,将膜电解质置于与其应用于PEMFC的工作环境相近的条件下,研究了质子交换膜电导率的测定方法。利用本文建立的装置对H3PO4/PBI膜及H3PO4/BMIMPF6-SPEEK复合膜进行测定,并将得到的实验结果与文献值进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 质子交换膜燃料电池简介
• 1.2.1 工作原理及结构
• 1.2.2 极化现象
• 1.2.3 特点及用途
• 1.3 质子交换膜燃料电池的研究现状
• 1.4 质子交换膜燃料电池的组装元件
• 1.4.1 催化剂
• 1.4.2 气体扩散电极
• 1.4.3 极板和流场
• 1.4.4 质子交换膜
• 1.4.5 膜电极组件
• 1.4.6 密封
• 1.5 膜电解质电导率的测量方法
• 1.5.1 直流扫描法
• 1.5.2 交流阻抗法
• 1.5.3 同轴探针法
• 1.6 本论文的研究意义和研究内容
• 第2章 PEMFC膜电极的制备及单电池的组装
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器、材料及试剂
• 2.2.2 极板与端板的设计
• 2.2.3 催化剂的制备
• 2.2.4 气体扩散电极的制备及接触角的测定
• 2.2.5 膜电极的制备
• 2.2.6 密封件的制作
• 2.2.7 单电池的组装
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 极板与端板的设计
• 2.3.2 气体扩散电极
• 2.3.4 MEA的热压条件
• 2.3.5 密封件
• 第3章 膜电解质电导率的测定及分析
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器及材料
• 3.2.2 电导率的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电导率的稳定性
• 3.3.2 电极通氢气与否对电导率的影响
• 3.3.3 不同方法测量的电导率的比较
• 第4章 极化曲线的测定及分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器及材料
• 4.2.2 极化曲线的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 干电池的极化曲线
• 4.3.2 PEMFC单电池的极化曲线
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢