学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

质子交换膜燃料电池膜电极制备和性能的研究

作　者: 张志远
导　师: 田建华
学　校: 天津大学
专　业: 应用化学
关键词: 质子交换膜燃料电池膜电极催化剂直接涂敷 Nafion/TiO2复合膜溶胶-凝胶反应
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 66次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、运行温度低和稳定性能好等优点,在航天领域、潜艇、电动车等领域有广泛的应用前景。为使PEMFC能够早日实现商品化生产,各国科研工作者正在致力于相关材料的研究,力图降低PEMFC成本,提高PEMFC的性能。本文的研究内容主要有两个方面:(1)CCM(catalyst coated membrane)方法制备膜电极工艺的研究;(2)溶胀法制备Nafion/ TiO2复合膜的工艺以及对其性能的研究。本文研究了CCM方法制备膜电极的工艺,确定了催化剂层最佳Nafion载量范围;制备了阴极为双层,其中Nafion载量不同的催化剂层,结果表明其性能要优于单层;在质子交换膜以及催化剂层之间加入Nafion层可提高PEMFC性能。本文研究了催化剂层不同有机溶剂、溶剂使用量以及挥发速度的影响。对MEA的阴极进行了研究,主要研究了Pt载量、Pt担量以及水热处理后的影响。本文研究了溶胀法制备Nafion/ TiO2复合膜的工艺,确定选择钛酸丁酯、异丙醇作为起始原料;确定了溶胶凝胶反应的发生的两个必要条件,充足的水以及外界给予的能量,所以反应条件选择水浴加热;后处理中采用真空干燥,则是使TiO2由非晶态向晶态转变以及促进其网络的形成的。通过XRD,ESEM对复合膜进行物理化学性能的测试,实验结果表明,掺杂在Nafion膜内的TiO2为锐钛矿晶型。Nafion/ TiO2复合膜的性能主要与TiO2的荷载量有关,而TiO2的荷载量主要与浸泡液中钛酸丁酯的浓度有关。本文研究了钛酸丁酯的浓度对复合膜性能的影响,并确定了复合膜制备的最佳浓度范围。在此基础上研究了Nafion1135/ TiO2复合膜的自增湿性能,通过评价复合膜与Nafion膜制备的膜电极在不增湿操作条件下的性能,结果表明,复合膜制备的膜电极在不增湿操作条件下的性能要优于Nafion膜制备的膜电极在外增湿条件操作下的性能;同时还研究了电池温度对复合膜制备的膜电极性能的影响,结果表明,在一定范围内,随着电池温度的升高,复合膜制备的膜电极的性能得到提高。由此证实了Nafion膜内的TiO2对于膜内水平衡的调节作用。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-26
  1.1 燃料电池的发展及分类  8-9
  1.2 质子交换膜燃料电池  9-13
    1.2.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC）概况  9-10
    1.2.2 质子交换膜燃料电池的工作原理及特点  10-11
    1.2.3 质子交换膜燃料电池系统  11-13
  1.3 质子交换膜燃料电池的膜电极  13-22
    1.3.1 概述  13-14
    1.3.2 膜电极的组成  14-17
      1.3.2.1 质子交换膜  14-16
      1.3.2.2 催化剂及其载体  16-17
    1.3.3 膜电极的制备  17-18
    1.3.4 膜电极的优化  18-19
    1.3.5 膜电极CCM  19-21
    1.3.6 PEMFC 的增湿技术  21-22
      1.3.6.1 外增湿技术  21
      1.3.6.2 内增湿技术  21-22
      1.3.6.3 自增湿技术  22
  1.4 质子交换膜燃料电池的其他组件  22-24
    1.4.1 气体扩散层  22-23
    1.4.2 双极板  23-24
  1.5 质子交换膜燃料电池性能的数学模型分析  24-25
  1.6 本课题的研究背景与意义  25-26
第二章实验部分  26-32
  2.1 实验药品及仪器  26-27
  2.2 Nafion/ TiO_2 复合膜的制备方法以及性能表征  27-29
    2.2.1 复合膜的制备方法  27
      2.2.1.1 质子交换膜的预处理  27
      2.2.1.2 复合膜的制备  27
    2.2.2 复合膜的物理化学性能表征  27-29
      2.2.2.1 X 射线衍射  27-28
      2.2.2.2 环境扫描电子显微镜（ESEM）  28-29
  2.3 膜电极的制备方法以及性能测试  29-32
    2.3.1 膜电极的制备方法  29
      2.3.1.1 传统热压法  29
      2.3.1.2 CCM 方法  29
    2.3.2 膜电极的性能测试  29-32
      2.3.2.1 单体电池的组装  29-30
      2.3.2.2 膜电极的性能测试  30-32
第三章 Nafion 载量对CCM 方法制备膜电极性能的影响  32-44
  3.1 催化剂层Nafion 载量对PEMFC 性能的影响  32-36
  3.2 阴极双层催化剂层中Nafion 载量的研究  36-39
  3.3 催化剂层与质子交换膜之间Nafion 层的研究  39-43
  3.4 小结  43-44
第四章催化层有机溶剂对PEMFC 性能的影响  44-56
  4.1 不同溶剂对PEMFC 性能的影响  44-47
  4.2 溶剂使用量对PEMFC 性能的影响  47-52
  4.3 制备温度对PEMFC 性能的影响  52-55
  4.4 小结  55-56
第五章对CCM 方法制备膜电极阴极的研究  56-62
  5.1 阴极催化剂载量对PEMFC 性能的影响  56-57
  5.2 阴极催化剂Pt 担量对PEMFC 性能的影响  57-59
  5.3 阴极的水热处理对PEMFC 性能的影响  59-61
  5.4 小结  61-62
第六章 Nafion/TiO_2复合膜的制备及性能表征  62-74
  6.1 基本原理  62-63
  6.2 复合膜制备工艺条件的选择  63-65
    6.2.1 起始原料的选择  63
      6.2.1.1 前驱物种类的选择  63
      6.2.1.2 溶剂的选择  63
    6.2.2 反应条件的选择  63-65
    6.2.3 后处理的影响  65
  6.3 Nafion /TiO_2 复合膜的研究  65-73
    6.3.1 浸泡液中钛酸丁酯浓度对Nafion 1135/TiO_2 复合膜性能的影响  66-69
    6.3.2 Nafion /TiO_2 复合膜自增湿性能的研究  69-72
    6.3.3 工作温度对Nafion1135/TiO_2 复合膜制备的膜电极性能的影响  72-73
  6.4 小结  73-74
第七章结论  74-75
参考文献  75-79
发表论文和参加科研情况说明  79-80
致谢  80

质子交换膜燃料电池膜电极制备和性能的研究

内容摘要

全文目录

相似论文