本文關(guān)鍵詞：基于超聲噴涂法制備極低鉑載量PEMFC膜電極研究

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【摘要】：當(dāng)今社會(huì),能源與環(huán)境問題越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的化石能源被不斷開采與消耗,既大大污染了環(huán)境又因其不可再生性而引起能源危機(jī),甚至造成列國間爆發(fā)戰(zhàn)爭。能源是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力和源泉,開發(fā)清潔和可再生的能源技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。質(zhì)子交換膜燃料電池在新能源領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢:不受卡諾循環(huán)限制,能量轉(zhuǎn)換率高;產(chǎn)物為水,清潔環(huán)保;工作溫度低;壽命長;穩(wěn)定性好等。這種電池在航天,軍事裝備,汽車,發(fā)電站等方面有廣闊的前景。因而,質(zhì)子交換膜燃料電池成為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前,限制其商業(yè)化的主要障礙是成本過高,可以從新型催化劑的合成和膜電極制備工藝的優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行提高,目的都是降低催化劑鉑的用量來降低膜電極生產(chǎn)成本。本文主要從膜電極制備工藝的優(yōu)化方面進(jìn)行研究。超聲噴涂技術(shù),在制備膜電極氣體擴(kuò)散層和催化劑層時(shí)能夠?qū){料進(jìn)行二次分散,在最佳噴涂工藝參數(shù)下來保證噴涂薄層的均勻性和顆粒分散性。在此基礎(chǔ)上,確定了膜電極氣體擴(kuò)散層的最佳碳載量和最優(yōu)催化劑配比。氣體擴(kuò)散層的最佳碳載量為1.5和2.0倍標(biāo)準(zhǔn)碳載量,在此厚度下能夠保證催化劑漿料的附著和反應(yīng)過程中的傳質(zhì)能夠順利進(jìn)行。催化劑漿料最優(yōu)配比為30%標(biāo)準(zhǔn)固含量,此種配方能夠使得催化劑顆粒高度分散,形成的催化層具有較大的活性反應(yīng)區(qū)面積,從而提高鉑利用率。本文在較為成熟的制備工藝條件下成功制備出性能高鉑載量極低的膜電極。當(dāng)陽極和陰極鉑載量為0.05和0.15 mgcm-2時(shí),在50℃且兩極氣體不加濕的測試條件下,膜電極最高功率密度可達(dá)464 m Wcm-2,單位質(zhì)量鉑最高比功率為3.09 Wmg-1,其性能比陰極鉑載量為0.55 mgcm-2的膜電極提高3.6倍。更需注意的是,在模擬車用條件工作環(huán)境下,此膜電極的電池性能良好,在0.6 V電壓下功率密度可達(dá)788 mWcm-2,單位質(zhì)量鉑比功率為3.94 Wmg-1,且具有較寬的濕度范圍適應(yīng)性,說明本文制備的極低鉑載量膜電極具有很大的實(shí)際應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。本文為說明氮?dú)夂退畬τ陔姵匦阅艿挠绊?創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)了氮?dú)鉂B透實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測電池在氫閉端工作過程中,水在膜電極中的分布是導(dǎo)致電池電壓可逆下降的主要原因。我們認(rèn)為從微觀角度探究Nafion超薄薄膜性質(zhì)及水在其中的擴(kuò)散和傳質(zhì)機(jī)制,將加深對膜電極中電化學(xué)過程的理解。
【學(xué)位授予單位】：北京有色金屬研究總院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.4;O643.36

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