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疏水粘结剂对CCM催化层电性能和耐久性的影响

作　者: 王洪红
导　师: 潘牧
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 质子交换膜燃料电池催化层粘结剂孔结构耐久性
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 23次
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内容摘要

CCM (Catalyst Coated Membrane, CCM)型膜电极是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)的核心组件,由质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)及涂覆于其两侧的催化层(Catalyst Layers)三部分组成。其中,催化层由Pt/C电催化剂和粘结剂(Nafion树脂/PTFE树脂)组成,是膜电极中燃料电池进行电化学反应的场所,其制备工艺与结构不仅直接影响燃料电池的性能和耐久性,同时对降低电池成本、提高比功率、加快燃料电池的商业化进程均至关重要。目前,基于亲水催化层的CCM的一个重要问题是水淹电极。分析表明,调节催化层的亲疏水结构可以很好地处理水淹电极的问题。本论文采用乳液法制备工艺,向亲水催化层(组分按质量比,Pt/C:Nafion=3:1)中添加不同量的疏水粘结剂PTFE,通过调节Nafion和PTFE的比例,制备由全亲水到亲疏水混合再到全疏水的CCM催化层样品。通过对个样品进行接触角测试、扫描电镜表面形貌分析、孔径分布和孔隙率、单电池性能测试、循环伏安曲线测试、交流阻抗测试、化学速降解实验、多周期循环伏按测试,以及失水-溶涨实验,分析和比较了不同含量的PTFE对催化层亲疏水性、孔结构、电性能和耐久性的影响。研究得出以下结论：(1)开发了一种特殊的乳液法制备工艺,可制备出亲疏水性可调的CCM催化层。(2)随催化层中疏水剂PTFE含量的增加,催化层的疏水性和排水能力增大,提高了电极在高电流密度下的电性能；但若PTFE含量过高,会降低电极在低电流密度下的电性能,不利于电极性能的整体提高。综合比较得出,CCM催化层中PTFE的最佳含量为5#CCM催化层(质量比,Pt/C:Nafion:PTFE=3:1:1/3)中的含量。(3)催化层中加入粘结剂PTFE后,其孔隙率明显提高(由28.6%最高可提高到47.6%),且形成了三峰状孔径分布。(4)催化层中加入粘结剂PTFE后,其耐久性显著增加。原因是,一方面,PTFE本身比Nafion粘结性和稳定性要好；另一方面,含PTFE的催化层在制备过程中的热处理工艺,改善了Nafion的稳定性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章前言  9-19
  1.1 燃料电池的催化原理  10-11
  1.2 燃料电池的水管理  11-12
    1.2.1 PEMFC的水管理  11-12
    1.2.2 电极中催化层性能对水管理的要求  12
  1.3 质子交换膜燃料电池用新型膜电极CCM和催化层  12-16
    1.3.1 新型膜电极CCM的制备方法  12-13
    1.3.2 质子交换膜燃料电池催化层的制备与结构  13-16
  1.4 电池耐久性研究中CCM催化层的退化行为与进展  16-18
    1.4.1 电池催化层耐久性研究中催化剂的退化行为  17
    1.4.2 电池催化层耐久性研究中粘结剂的退化行为与进展  17-18
  1.5 本论文的选题目的和拟解决的问题  18-19
第2章亲疏水性可调CCM催化层的制备、结构与疏水性研究  19-31
  2.1 亲疏水性可调的CCM催化层的制备与技术难点  20-22
    2.1.1 实验试剂  20
    2.1.2 制备路线与过程  20
    2.1.3 制备技术难点  20-22
  2.2 PTFE掺杂量对催化层疏水性和孔结构的影响  22-30
    2.2.1 实验仪器  22-23
    2.2.2 结果与讨论  23-27
    2.2.3 催化层亲疏水性及孔结构与排水关系的理论探讨  27-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章亲疏水性对CCM催化层电性能的影响  31-43
  3.1 实验部分  31-34
    3.1.1 试剂和仪器  31-32
    3.1.2 实验过程  32-34
  3.2 结果与讨论  34-41
    3.2.1 单电池性能测试  34-35
    3.2.2 CCM催化层的催化剂利用率分析  35-37
    3.2.3 单电池交流阻抗分析  37-41
  3.3 本章小结  41-43
第4章粘结剂对CCM催化层耐久性的影响  43-57
  4.1 实验部分  43-48
    4.1.1 试剂和仪器  43-44
    4.1.2 实验过程  44-48
  4.2 结果与讨论  48-56
    4.2.1 化学加速降解实验结果与讨论  48-53
    4.2.2 电化学实验结果与讨论  53-55
    4.2.3 失水-溶涨实验结果与讨论  55-56
  4.3 本章小结  56-57
第5章结论与展望  57-59
  5.1 主要结论  57
  5.2 展望  57-59
参考文献  59-66
致谢  66-67
攻读硕士期间发表的论文  67

疏水粘结剂对CCM催化层电性能和耐久性的影响

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