质子交换膜燃料电池膜电极结构研究

论文摘要

膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件。由催化层和气体扩散层构成的电极是物质传递和电化学反应发生的重要场所。研究与制备结构先进合理的MEA不仅直接影响PEMFC的输出性能,而且对降低PEMFC的制造成本、提高比功率、加快商业化进程均至关重要。本论文综合考虑了目前常用的亲水型和憎水型催化层结构特点,提出一种Nafion热解型催化层,在该催化层中部分热分解后失去磺酸根而具有疏水性质的Nafion充当憎水剂,未分解的具有亲水性质的Nafion充当质子导体,从而有效拓展了三相界面,提高了催化剂利用率和电池性能。另外,本文在研究了基底层传质特点的基础上,认为微孔层(MPL)具有的重要水/气管理功能。从而以微孔层为研究重点,考察了碳粉的物性对微孔层孔结构性质的影响,实验结果表明用于微孔层制备的碳粉应具有适当的比表面积和孔容。对高比表面积的碳粉进行“堵孔”修饰后得到的碳粉,有利于微孔层的传质和电池性能的提高。本论文首次提出采用复合碳粉构建具有适宜亲/疏水孔隙结构的微孔层,并制造出具有梯度孔隙率结构的气体扩散层(GDL),加强了传质,从而提高了电池的输出性能。本论文成功利用微波介电加热技术制备出碳载聚四氟乙烯(PTFE/C)纳米复合粉体,并应用于微孔层制备。该微孔层表现出较好的传质能力,且具有工艺重现性好、生产工艺简单等特点,具有较强的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 质子交换膜燃料电池的工作原理和结构
• 1.1.1 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池的组成和结构
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池中的极化现象
• 1.2 催化层的结构及研究进展
• 1.2.1 催化层的结构
• 1.2.2 催化层的制备工艺现状
• 1.2.2.1 PTFE-bonded 憎水型电极
• 1.2.2.2 Ionomer-bonded 亲水型电极
• 1.2.2.3 Dual-bonded 复合型电极
• 1.2.2.4 超薄层电极
• 1.3 气体扩散层的结构及研究进展
• 1.3.1 气体扩散层的结构
• 1.3.2 气体扩散层内的传质
• 1.3.2.1 GDL 中液态水的传递
• 1.3.2.1.1 GDL 中的“水”问题
• 1.3.2.1.2 GDL 中“两相流”传递
• 1.3.2.2 GDL 中气体的传递
• 1.3.3 气体扩散层的实验研究
• 1.3.3.1 气体扩散层的制备
• 1.3.3.2 气体扩散层的影响因素研究
• 1.3.3.3 气体扩散层的表征方法
• 1.3.4 气体扩散层的模型研究
• 1.4 小结
• 参考文献
• 第二章 Nafion 热解型电极及其制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 气体扩散层制备
• 2.2.1.1 基底层的疏水化处理
• 2.2.1.2 微孔层的制备
• 2.2.2 催化层制备
• 2.2.2.1 Nafion 热解型阴极催化层的制备
• 2.2.2.2 PTFE-bonded 憎水型阴极催化层制备
• 2.2.2.3 Nafion-bonded 亲水型阴极催化层制备
• 2.2.2.4 阳极催化层的制备
• 2.2.3 MEA 制备
• 2.2.4 单电池操作过程
• 2.2.4.1 单电池组装
• 2.2.4.2 评价装置
• 2.2.4.3 电池的启动
• 2.2.5 分析、评价手段
• 2.2.5.1 单电池性能评价
• 2.2.5.2 显微镜表征
• 2.2.5.3 热分析
• 2.2.5.4 循环伏安测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 Nafion 热解型催化层形貌及电池输出性能
• 2.3.1.1 表面形貌观察
• 2.3.1.2 电池输出性能
• 2.3.2 Nafion 热解型催化层性能研究
• 2.3.2.1 热处理温度的影响
• 2.3.2.2 热处理时间的影响
• 2.3.2.3 催化层内Nafion 含量的影响
• 2.3.2.4 表面外喷Nafion 担量的影响
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 基底层性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 气体扩散层制备
• 3.2.1.1 基底层的疏水化处理
• 3.2.1.2 微孔层的制备
• 3.2.2 催化层的制备
• 3.2.3 MEA 的制备
• 3.2.4 单电池操作过程
• 3.2.5 单电池性能评价
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 操作条件对电池性能的影响
• 3.3.1.1 反应气体利用率的影响
• 3.3.1.2 反应气进气压力的影响
• 3.3.2 基底层厚度的影响
• 3.3.3 基底层中PTFE 含量的影响
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 碳粉形态对微孔层的影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 气体扩散层制备
• 4.2.1.1 基底层的疏水化处理
• 4.2.1.2 微孔层的制备
• 4.2.2 CCM 的制备
• 4.2.2.1 质子交换膜的预处理
• 4.2.2.2 CCM 的制备
• 4.2.3 MEA 的制备
• 4.2.4 单电池操作过程
• 4.2.5 KetjenBlack EC 300J 碳粉的堵孔处理
• 4.2.6 分析、评价手段
• 4.2.6.1 单电池性能评价
• 4.2.6.2 扫描电镜测定
• 4.2.6.3 气体渗透系数测定
• 4.2.6.4 导电性测定
• 4.2.6.5 总孔隙率测定
• 4.2.6.6 亲/疏水孔隙率测定
• 4.2.6.7 物理吸附测试
• 4.2.6.8 交流阻抗测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 物理吸附碳粉孔结构测试
• 4.3.2 基于不同碳粉MPL 的电池输出性能
• 4.3.3 基于不同碳粉MPL 的电池交流阻抗测试
• 4.3.4 基于不同碳粉MPL 的GDL 的结构表征
• 4.3.4.1 SEM 表面形态观察
• 4.3.4.2 气体渗透率测试
• 4.3.4.3 亲/疏水孔隙率测试
• 4.3.4.4 导电性测试
• 4.3.5 基于堵孔修饰碳粉的微孔层
• 4.3.5.1 物理吸附孔结构表征
• 4.3.5.2 基于堵孔修饰碳粉GDL 的结构表征
• 4.3.5.3 基于堵孔修饰碳粉GDL 电池的电化学测试
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 复合导电碳材料制备微孔层研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 复合导电碳材料的准备
• 5.2.2 气体扩散层的制备
• 5.2.3 CCM 的制备
• 5.2.4 MEA 的制备
• 5.2.5 单电池操作过程
• 5.2.6 分析、评价手段
• 5.2.6.1 单电池性能评价
• 5.2.6.2 扫描电镜测定
• 5.2.6.3 气体渗透率系数测定
• 5.2.6.4 物理吸附测试
• 5.2.6.5 接触角测定
• 5.2.6.6 压汞法孔结构测定
• 5.2.6.7 亲/疏水孔孔隙率测定
• 5.2.6.8 交流阻抗测试
• 5.2.6.9 循环伏安测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 复合碳粉的物性表征
• 5.3.2 基于复合碳粉MPL 的电池输出性能
• 5.3.3 基于复合碳粉MPL 电池的电化学表征
• 5.3.3.1 循环伏安测试
• 5.3.3.2 交流阻抗测试
• 5.3.4 基于复合碳粉MPL 的GDL 结构表征
• 5.3.4.1 SEM 表面形态观察
• 5.3.4.2 气体渗透率测试
• 5.3.4.3 压汞法孔结构表征
• 5.3.4.4 亲/疏水孔隙率测试
• 5.3.5 梯度孔隙率结构GDL 设计
• 5.3.6 基于复合碳粉MPL 的优化
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 微波加热法合成PTFE/C 复合粉体制备微孔层研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 PTFE/C 复合粉体的制备
• 6.2.2 气体扩散层的制备
• 6.2.3 CCM 的制备
• 6.2.4 MEA 的制备
• 6.2.5 单电池操作过程
• 6.2.6 分析、评价手段
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 PTFE/VX 复合粉体表征
• 6.3.2 基于30PTFE/AB 复合粉体MPL 的电池输出性能
• 6.3.3 阴极反应气相对湿度对电池性能的影响
• 6.3.4 基于PTFE/C 复合粉体MPL 的工艺研究
• 6.3.5 PTFE 含量对PTFE/C-MPL 电池性能的影响
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 进一步工作设想
• 作者简介及发表文章目录
• 致谢