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质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究

作　者: 任俊霞
导　师: 史鹏飞
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 质子交换膜燃料电池 膜电极 喷墨技术 丝网印刷
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


高效、环保的质子交换摸燃料电池(PEMFC)被认为是极有前途的一种电源。膜电极(MEA)是质子交换摸燃料电池的核心部件,而MEA的制备工艺在很大程度上决定了PEMFC的性能和成本。常规制备MEA方法的工艺较为成熟,但常规方法都有一些不足,造成PEMFC成本高昂,工序繁杂,性能不稳定等问题。本文研究了喷墨打印技术,研制出一种适合碳材料打印的喷墨打印墨水,本墨水目前可用在佳能ip1800,佳能i455两款打印机上,打印层均匀连续,可满足膜电极催化层喷墨打印的需要。碳材料墨水配方是:炭黑或乙炔黑1.6~3mass%,无水乙醇2~5mass%,水60~68mass%,乙酰胺0.38~0.46 mass%,乙二醇10~15mass%,甲酰胺2~8mass%,氨水适量。催化层墨水中需加入粘结剂Nafion,Nafion添加比例是Pt/C质量的三分之一。使用自制的墨水打印了MEA的催化层,单层喷墨层厚度约为0.1~0.3μm,催化剂Pt载量约为0.01mg/cm2。喷墨打印膜电极性能测试中,Pt载量为0.1mg/cm2的单电池比功率最高为4mW/cm2,Pt载量为0.2mg/cm2单电池的比功率最高为6.5mW/cm2,目前电池只适合小电流放电,在催化层中添加喷墨Nafion层对于电池的性能目前没有太大的影响。研究利用丝网印刷方法制备膜电极气体扩散层。在丝印浆料中加入异丙醇和乙二醇改善了墨水的分散性和丝网印刷效果。使用丝网印刷的方法设计了水/气体分区管理的膜电极,改善了膜电极的稳定性能,Pt载量为0.1mg/cm2的,单电池的最大比功率密度约可以达到47mW/cm2。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-21
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 质子交换膜燃料电池概况  9-13
    1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理  9-10
    1.2.2 质子交换膜燃料电池国内外研发情况  10-12
    1.2.3 质子交换膜燃料电池的应用领域  12-13
  1.3 MEA的制备方法及工艺现状  13-16
    1.3.1 传统法  13-14
    1.3.2 薄层电极法  14
    1.3.3 干粉喷雾法  14-15
    1.3.4 真空沉积法  15
    1.3.5 化学还原法  15
    1.3.6 电化学还原法  15
    1.3.7 离子交换法传统法  15-16
  1.4 喷墨打印技术研究  16-18
    1.4.1 喷墨打印技术原理  16-17
    1.4.2 喷墨打印墨水重要参数指标  17-18
  1.5 丝网印刷技术研究  18-20
  1.6 本课题的主要研究内容  20-21
第2章 实验材料和研究方法  21-27
  2.1 实验材料与仪器  21-23
    2.1.1 实验所用的材料及化学试剂  21-22
    2.1.2 实验所用仪器设备  22
    2.1.3 实验所用气体供给系统  22-23
  2.2 MEA的制备  23-25
  2.3 性能测试  25-27
    2.3.1 SEM表征和X射线能谱分析  25-26
    2.3.2 单电池极化曲线法  26
    2.3.3 单电池恒电流测试  26-27
第3章 膜电极催化层的喷墨打印制备工艺研究  27-57
  3.1 碳材料喷墨墨水的研制  27-40
    3.1.1 商用喷墨打印墨水主要成分分析  27-28
    3.1.2 碳材料喷墨打印墨水分散性调控方法  28-29
    3.1.3 碳材料墨水溶剂的粘度研究  29-36
    3.1.4 碳材料喷墨打印墨水的配方  36-40
  3.2 膜电极催化层的制备及其性能测试  40-57
    3.2.1 喷墨打印前期准备和催化层墨水配制  40-50
    3.2.2 不同催化剂载量对膜电极性能的影响  50-53
    3.2.3 不同运行条件对膜电极性能的影响  53-55
    3.2.4 单独打印Nafion层对膜电极性能的影响  55-57
第4章 丝网印刷制备膜电极气体扩散层初步研究  57-64
  4.1 丝网印刷制备膜电极气体扩散层  57-58
  4.2 丝网印刷制备水/气分区管理气体扩散层  58-61
  4.3 丝网印刷水/气分区管理MEA性能测试  61-64
结论  64-65
参考文献  65-70
攻读学位期间发表的学术论文  70-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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