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基于固体酸的质子交换膜燃料电池电解质研究

2020-12-10阅读(912)

基于固体酸的质子交换膜燃料电池电解质研究

论文摘要

本文全面的阐述了中温质子交换膜燃料电池的工作原理和目前国内外对其研究的情况；本文以介孔氧化铝作为质子导电体，掺杂固体酸制成新型导电材料，系统地研究了固体酸（CsHSO4，KH2PO4）对介孔氧化铝导电率的影响；初探以介孔氧化铝为基体制备质子交换膜，研究了膜的导电率和甲醇透过率。研究采用了溶剂-凝胶法制备介孔氧化铝，并采用N2吸脱附测试介孔氧化铝比表面积、孔径大小等参数：采用XRD、SEM、TEM等表征手段表征晶型结构和孔道形貌：并应用Agilent4292A阻抗仪测试介孔材料的导电率，通过热重测试分析掺杂固体酸后导电率变化的原因。经研究得到如下结果：（1）以环已烷和X114试剂为导向剂，以仲丁醇铝为铝源，通过溶胶-凝胶法合成孔径约为25nm左右的介孔Al2O3颗粒粉体，材料结构为γ-Al2O3，比表面积在250m2/g范围左右。（2）实验在含氯的介孔氧化铝基础上，掺杂固体酸（CsHSO4，KH2PO4）。经过浸渍和熔融的两种方法的比较，得知熔融法掺杂后的导电率要高些。（3）实验得到掺杂固体酸后，在低温（30-90℃）区域，质子导电率比未掺杂样品要高出一个数量级。通过TG-DSC表征得知，掺杂固体酸后，样品的含水率提高，因此可以推测固体酸的添加提高了介孔氧化铝的吸水能力，使样品中水含量提高。水分子作为质子导电的载体，水含量的增加将有利于提高质子导电率。而在高温(100-140℃)区域，由于水分的蒸发，所有样品的导电率均下降。（4）介孔氧化铝为基体制备出新型质子交换膜，高温时质子交换膜的导电率一直呈上升的趋势，在140℃达到4.48×10-4S.cm-1；在阻醇率方面，PVDF-Al2O3复合膜的甲醇渗透率要比Nafion117要低出两个数量级，这就大大提高了燃料的利用率。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 目次
  • 图清单
  • 表清单
  • 1 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 燃料电池
  • 1.2.1 燃料电池简介
  • 1.2.2 质子交换膜型燃料电池发展历史
  • 1.2.3 质子交换膜燃料电池工作原理
  • 1.2.4 质子交换膜燃料电池特点
  • 1.2.5 质子交换膜结构与功能
  • 1.2.6 质子交换膜分类
  • 1.3 固体酸质子交换膜
  • 1.3.1 固体酸质子交换膜简介
  • 1.3.2 固体酸质子导体结构及导电机理
  • 1.3.3 固体酸电解质发展的制约因素和前景
  • 1.3.4 介孔材料简介
  • 1.3.5 介孔材料表征特点
  • 1.3.6 介孔材料的应用
  • 1.3.7 介孔氧化铝简介
  • 1.4 本文研究内容
  • 2 实验部分
  • 2.1 本文所用的实验仪器与试剂
  • 2.2 实验制备
  • 2.2.1 以溶解—凝胶法制备纳米介孔氧化铝的研究
  • 2.3 实验内容
  • 2.3.1 实验背景和原理
  • 2.3.2 溶胶-凝胶法
  • 2.3.3 实验步骤
  • 2.4 结构表征与测试
  • 2.4.1 样品形貌表征
  • 2.4.2 X—射线衍射
  • 2.4.3 能谱分析
  • 2吸附—脱附测试'>2.4.4 N2吸附—脱附测试
  • 2.4.5 热重测试分析
  • 2.4.6 阻抗测试
  • 3 介孔氧化铝结构表征及导电率测试分析
  • 3.1 介孔氧化铝结构表征
  • 3.1.1 SEM 结构表征
  • 3.1.2 介孔氧化铝孔结构表征
  • 3.1.3 样品的 XRD 表征
  • 3.1.4 样品 TG-DSC 分析
  • 3.2 介孔氧化铝导电率测试分析
  • 3.3 本章小结
  • 4 掺固体酸对介孔氧化铝结构和导电性的影响
  • 4对介孔氧化铝成分和导电性的影响'>4.1 掺杂 CsHSO4对介孔氧化铝成分和导电性的影响
  • 4对介孔氧化铝成分的影响'>4.1.1 掺杂 CsHSO4对介孔氧化铝成分的影响
  • 4.1.2 XRD 分析
  • 4.1.3 两种掺杂方法下的导电率比较
  • 4的导电率比较'>4.1.4 掺杂不同比例 CsHSO4的导电率比较
  • 4.1.5 样品 TG 分析
  • 4.1.6 小结
  • 2PO4对介孔氧化铝结构和导电性的影响'>4.2 掺杂 KH2PO4对介孔氧化铝结构和导电性的影响
  • 2PO4后的介孔氧化铝成分影响'>4.2.1 掺杂 KH2PO4后的介孔氧化铝成分影响
  • 4.2.2 XRD 分析
  • 2PO4的介孔氧化铝导电率比较'>4.2.3 在两种方法下掺 KH2PO4的介孔氧化铝导电率比较
  • 2PO4的介孔氧化铝导电率比较'>4.2.4 掺杂不同比例 KH2PO4的介孔氧化铝导电率比较
  • 2PO4后的样品 TG 分析'>4.2.5 掺杂 KH2PO4后的样品 TG 分析
  • 4.2.6 小结
  • 4.3 掺杂两种固体酸导电率比较
  • 4.3.1 本章总结
  • 5 中温质子交换膜初探
  • 5.1 实验内容
  • 5.2 导电率测试分析与甲醇渗透率比较
  • 5.3 本章总结
  • 6 总结与展望
  • 6.1 本文研究工作总结
  • 6.2 研究展望
  • 参考文献
  • 作者简历

    • 相关论文文献

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