质子交换膜燃料电池膜电极性能及耐久性研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池耐久性和成本是其商业化过程中面临着两大核心问题。燃料电池的寿命测试具有消耗时间长,物资投入大等特点。这些因素导致使得燃料电池耐久性研究工作发展缓慢。本文研究了在开路工况、怠速工况、低加湿与加湿循环、负载循环、过载工况、启动与停止等测试条件下,质子交换膜燃料电池主要材料的腐蚀机理和电池性能的衰退。分析了燃料电池不同工况对其寿命的作用。结合车用燃料电池的实际工作状态与加速条件制定组合循环工况。为了降低燃料电池的成本,非贵金属催化剂的研究已经成为现阶段的研究热点。本文利用Fe3Co-TPTZ非贵金属催化剂作为膜电极的阴极催化剂,组装在25cm2的单电池中,测试单电池性能和耐久性。通过优化催化剂载量与对比不同的碳载体的催化剂性能来提高非贵金属催化剂单电池的性能。研究结果如下：（1）通过对各种加速燃料电池寿命的加速条件分析与总结。制定了一个能够快速评价、筛选膜电极的组合工况；（2）Fe3/Co-TPTZ非贵金属催化剂在膜电极中的载量为4.5 mg/cm2左右时,制成膜电极在单电池中测得的最高功率密度为0.47w/cm2,此时单电池的性能最佳；（3） Fe3/Co-TPTZ-非贵金属催化剂在比表面积大的碳载体上的性能比导电率高的碳载上的性能好。（4） Fe3/Co-TPTZ非贵金属催化剂膜电极经过51.5h的恒定电压测试,电流密度为360mA/cm2时的电压下降了0.222V。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 综述
• 1.1 概况
• 1.1.1 燃料电池简介
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池的结构
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.1.4 质子交换膜燃料电池性能曲线
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 PEMFC寿命研究现状
• 1.2.2 非贵金属催化剂研究现状
• 1.3 本文研究内容及意义
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究意义
• 第2章 燃料电池组合工况的制定
• 2.1 燃料电池性能耐久性损失
• 2.1.1 开路工况
• 2.1.2 怠速工况
• 2.1.3 低加湿与加湿循环
• 2.1.4 负载循环
• 2.1.5 过载工况
• 2.1.6 启动与停止
• 2.2 组合工况测试
• 2.2.1 组合工况图的设计
• 2.2.2 国内组合工状对比
• 2.3 本章小结
• 第3章 热处理非贵金属催化剂膜电极研究
• 3.1 实验仪器和测试方法
• 3.1.1 催化剂合成实验准备
• 3.1.2 单电池性能测试实验准备
• 3.2 非贵金属催化剂膜电极制备
• 3.2.1 非贵金属催化剂的合成
• 3/Co-TPTZ非贵金属催化剂膜电极制备'>3.2.2 Fe₃/Co-TPTZ非贵金属催化剂膜电极制备
• 3.3 非贵金属催化剂膜电极性能测试
• 3/Co-TPTZ非贵金属催化剂膜电极性能优化'>3.3.1 Fe₃/Co-TPTZ非贵金属催化剂膜电极性能优化
• 3/Co-TPTZ非贵金属催化剂不同载量单电池性能测试'>3.3.2 Fe₃/Co-TPTZ非贵金属催化剂不同载量单电池性能测试
• 3/Co-TPTZ非贵金属催化剂不同碳载体单电池性能测试'>3.3.3 Fe₃/Co-TPTZ非贵金属催化剂不同碳载体单电池性能测试
• 3/Co-TPTZ非贵金属催化剂耐久性测试'>3.3.4 Fe₃/Co-TPTZ非贵金属催化剂耐久性测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 主要结论和展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文