【摘要】：質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC)具備能源轉化效率高、環(huán)保無污染、啟動方便、操作溫度低等優(yōu)勢,在新型能源技術領域受到了廣泛關注。然而PEMFC的發(fā)展也受到諸多問題困擾,水管理問題就是其中之一。為了確保PEMFC在活化極化階段的正常運行,需要對質子交換膜進行適當增濕以減少質子傳導性差引起的膜電阻;然而,增濕過程也會導致PEMFC在高電流密度區(qū)域的電池活性受到影響:在高電流密度區(qū)域,反應氣體生成液態(tài)水的速率加快,多余水分未能及時排出而堵塞催化劑活性位,導致電池輸出性能不穩(wěn)定,即所謂的“水淹”。除了水管理問題,PEMFC需解決催化劑穩(wěn)定性低、使用周期短等問題,而決定催化劑穩(wěn)定性的一個重要因素就是碳載體的穩(wěn)定性。碳腐蝕會對催化劑活性造成嚴重的負面影響,直接引起鉑活性組分的脫落或團聚;使得催化劑表現(xiàn)出活性面積衰減,電池活性也相應發(fā)生明顯衰減。本論文的工作集中在合成一種高比表面積、高導電性和高度疏水的分級多孔石墨烯載體并探究其在燃料電池上的應用。首先,我們將其與商業(yè)鉑碳催化劑物理混合后制備膜電極,用于提升燃料電池在高濕度條件下的抗水淹性能。其次,我們將分級多孔石墨烯微米棒用于燃料電池陰極催化劑載體,合成了高活性和高穩(wěn)定性的氧還原催化劑;進一步對催化劑進行了電化學測試和膜電極測試,從理論研究和實際應用的角度分別考察了催化劑的電池活性與載體穩(wěn)定性。具體內容如下:第一章:簡單總結了 PEMFC的基本原理和獨特優(yōu)勢,指出燃料電池在高濕度條件下面臨的水淹問題以及碳腐蝕導致的載體穩(wěn)定性低的嚴峻現(xiàn)狀,論述了本文的選題依據(jù)和研究意義。第二章:首先以氯化鎂和碳酸鈉為原料制備由垂直排列多孔石墨烯納米片組成的分級多孔石墨烯微米棒(HPGR),然后通過將疏水性HPGR與商業(yè)鉑碳催化劑(Pt/C)以物理混合的方式制備漿料并涂覆于質子交換膜上進行電池測試。對比于不加入HPGR的純Pt/C,摻有HPGR的復合催化劑在一定過飽和相對濕度范圍內均可保持良好的電池活性,表現(xiàn)出較好的抗水淹效果。第三章:分別以HPGR和導電炭黑XC-72為催化劑載體,用溶劑熱法合成相應的鉑碳催化劑Pt/HPGR和Pt/XC-72。進一步對Pt/HPGR,Pt/XC-72和商業(yè)Pt/C進行電化學測試,考察不同催化劑的電化學活性和載體穩(wěn)定性。結果表明,Pt/HPGR在加速衰減測試前后的活性面積與質量活性基本保持不變,而Pt/XC-72與商業(yè)Pt/C都表現(xiàn)出較明顯的碳腐蝕現(xiàn)象。第四章:為了進一步考察Pt/HPGR,Pt/XC-72和商業(yè)Pt/C在實際測試中的載體穩(wěn)定性,我們將不同催化劑用作陰極催化劑制備膜電極并用于質子交換膜燃料電池測試。氫氧測試條件或氫空測試條件的極化曲線可以比較不同催化劑的電池活性,而加速衰減測試前后催化劑的電池活性和質量活性對比則可以反映出催化劑的載體穩(wěn)定性。燃料電池測試結果與電化學工作站測試結果基本一致,Pt/HPGR表現(xiàn)出比Pt/XC-72和商業(yè)Pt/C更加優(yōu)異的抗碳腐蝕性。第五章:總結了本論文的研究內容,并對具有高比表面積、高導電性和高疏水性的分級多孔石墨烯微米棒在燃料電池等方向的應用拓展提出了展望。
【學位授予單位】：廈門大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TM911.4
【圖文】：

１．２．２質子交換膜燃料電池的工作原理逡逑ＰＥＭＦＣ的操作溫度范圍多在４０－８０邋°Ｃ，可以歸類為低溫電池［１８］。燃料電池逡逑的示意圖如圖１－１所示，電極反應如公式１．１－１．３所示。在膜電極的陽極端，陽逡逑極氣體（氫氣）失去電子，生成Ｈ＋并穿過中間的Ｎａｆｉｏｎ膜進入陰極端，與陰極氣逡逑體（空氣或氧氣）發(fā)生反應產生液相水。此時，陰極和陽極間存在一定電勢差，逡逑只需要借助外部電路串聯(lián)陰、陽極，便能構成完整的回路：逡逑．陽極：邐Ｈ２—＞２Ｒ＋邋＋邋２ｑ－邐（１．１）逡逑２逡逑

當加濕可以避免發(fā)生陽極脫水現(xiàn)象。逡逑１．３．３電池性能與水管理的關系逡逑ＰＥＭＦＣ的歐姆極化曲線如圖１－３所示，在ＰＥＭＦＣ測試中，電池的實際電逡逑動勢始終都比理想狀態(tài)下的電池電動勢略小，而引起實際電動勢較小的主要原逡逑因就是在于實際操作條件下存在不可避免的極化損失。這些極化損失由三部分逡逑引起活化階段損失、歐姆階段損失和濃差階段損失。逡逑開路電壓指的是電池處于開路狀態(tài)下的電池電壓Ｍ。理論情況下，沒有電逡逑子通過外電路時，電池應當保持平衡狀態(tài)。然而，ＰＥＭＦＣ的實際開路電位都低逡逑于平衡電位。首先，電極上存在許多雜質，雜質會占據(jù)部分電動勢，造成電池逡逑的實際電動勢低于理論電動勢；其次，外接電路即便處在開路狀態(tài)下，膜電極逡逑６逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2713098