RuO2·xH2O促进质子交换膜燃料电池动态响应的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有操作温度低、能量密度高、无污染、启动速度快等特点，有望成为未来移动动力源。但是，由于PEMFC输出电能是由电化学反应、气体传递、质子传递和电子传导等过程串联的，气体和质子传递速度远低于电子传导速度，大电流瞬间加载时，电池会因为欠气而造成输出电压骤降至零甚至反极，严重影响电池寿命，因而对提高PEMFC动态响应的研究具有广阔的前景。RuO2·xH2O是一种功率密度高、制备工艺简单的超级电容器材料。本文通过把RuO2·xH2O喷涂在催化层表面和Nafion膜在RuO2·xH2O溶胶中浸渍提拉两种方法把超级电容器材料RuO2·xH2O加入到PEMFC的膜电极中，来解决PEMFC动态响应问题。文中通过循环伏安曲线和恒流充放电实验确定了在催化层表面喷涂RuO2·xH2O层的最佳用量，即当铂钌质量比为1：1时，RuO2·xH2O的加入既不影响催化层中Pt的活性，又能获得273．9 F／g的电容值：通过多电位阶跃计时电流曲线可以看出，RuO2·xH2O的加入对电压动态阶跃时的响应电流起到了缓冲作用；对催化层表面喷涂RuO2·xH2O的电极进行的单电池稳态性能测试和动态响应性能测试证明了RuO2·xH2O的加入并没有影响电池的稳态性能，又提高了电池的动态响应。文中对载RuO2·xH2O膜进行了超深度显微镜的表面观察和能谱分析，证实了RuO2·xH2O的载入及RuO2·xH2O在膜表面分散的均匀性；对载RuO2·xH2O膜电极的交流阻抗测试结果表明：RuO2·xH2O的载入不仅使反应电阻降低8Ω而且膜电阻也降低0．1Ω；经过寿命测试后，载RuO2·xH2O膜电极的电化学表面积只降低了不到10％，而未载RuO2·xH2O膜电极的电化学表面积却降低了将近30％；通过载RuO2·xH2O膜电极的循环伏安测试和单电池稳态性能测试表明，在膜上载入RuO2·xH2O也没有影响电池的稳态性能；从载RuO2·xH2O膜电极的的多电位阶跃测试和单电池动态响应测试结果可以看出：RuO2·xH2O可以缓冲突变电流，缓解单电池突然加载而造成的欠气现象，缓冲电池电压突然大幅度降低的现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2 质子交换膜燃料电池的应用
• 1.2.1 空间探索
• 1.2.2 洁净电站
• 1.2.3 交通运输和军事应用
• 1.2.4 可移动电源
• 1.3 电极结构对质子交换膜燃料电池的性能影响
• 1.4 质子交换膜燃料电池膜电极稳定性研究
• 1.4.1 PEMFC的稳态稳定性研究
• 1.4.2 PEMFC的动态稳定性研究
• 1.5 超级电容器
• 1.5.1 超级电容器的原理分类
• 2超级电容器的研究进展'>1.5.2 RuO₂超级电容器的研究进展
• 1.5.3 超级电容器材料氧化钌的制备
• 1.5.4 氧化钌形态结构及荷电机理
• 1.6 论文的背景及意义
• 1.7 论文工作重点
• 本章小结
• 2·xH₂O对PEMFC动态响应的促进'>第二章 催化层上喷涂RuO₂·xH₂O对PEMFC动态响应的促进
• 引言
• 2.1 实验部份
• 2.1.1 实验试剂和仪器
• 2·xH₂O'>2.1.2 溶胶法制备RuO₂·xH₂O
• 2.1.3 工作电极制作
• 2.1.4 MEA制作
• 2.2 测试与表征
• 2.2.1 电化学测试
• 2.2.2 PEMFC单电池稳态性能测试
• 2.2.3 PEMFC单电池动态负载测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 电极的循环伏安曲线
• 2.3.2 电极的恒流充放电
• 2.3.3 多电位阶跃计时电流曲线
• 2.3.4 单电池的稳态性能曲线
• 2.3.5 单电池的动态响应性能
• 本章小结
• 2·xH₂O对PEMFC动态响应的促进'>第三章 Nafion膜载RuO₂·xH₂O对PEMFC动态响应的促进
• 引言
• 3.1 实验部份
• 3.1.1 实验试剂与仪器
• 2·xH₂O膜的制备'>3.1.2 载RuO₂·xH₂O膜的制备
• 3.1.3 MEA的制作与单电池的组装
• 3.2 测试和表征
• 3.2.1 超深度显微镜照片（DM）
• 2·xH₂O膜的能谱'>3.2.2 载RuO₂·xH₂O膜的能谱
• 3.2.3 电化学测试
• 3.2.4 PEMFC单电池测试
• 3.3 结果与讨论
• 2·xH₂O膜的表面观察'>3.3.1 载RuO₂·xH₂O膜的表面观察
• 2·xH₂O膜的能谱分析'>3.3.2 载RuO₂·xH₂O膜的能谱分析
• 3.3.3 膜电极的循环伏安曲线
• 3.3.4 膜电极的多电位阶跃计时电流曲线
• 3.3.5 膜电极的交流阻抗分析
• 3.3.6 膜电极的寿命研究
• 3.3.7 单电池稳态性能及动力学分析
• 3.3.8 单电池的动态响应研究
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 设计部件结构尺寸图
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢