质子交换膜燃料电池膜电极制备与性能研究

【摘要】随着全球能源及环境问题日益加剧,燃料电池以其不受卡诺循环限制,高效,环境友好,可靠性高,清洁等优点,被认为是21世纪最重要的新能源技术。其中,质子交换膜燃料电池在航天,交通,固定电站等领域中有广泛的应用前景。近年来,质子交换膜燃料电池得到大力发展,千瓦级的燃料电池技术已趋成熟,但仍存在材料成本过高,组装工艺没有突破等问题。因此,降低材料成本,尤其是催化剂成本,以及优化电池膜电极制备工艺,成为质子交换膜燃料电池研究重点。本文通过对超声喷涂法制备质子交换膜燃料电池膜电极的工艺研究,成功获得了膜电极所需均匀、稳定的催化层及微孔层,发现超声喷涂制备膜电极工艺参数为25<H<45mm,80<S<120mm/s,20<P<40psi,R为1ml/min时,喷涂效果较好。由超声喷涂法成功制备了阳极铂载量为0.05mgcm-2膜电极,当阴极铂载量为0.55mgcm-2时,采用50℃、氢气空气均不加湿的测试条件,其单位几何面积性能与阳极铂载量为0.30mgcm-2膜电极相当,而膜电极阳极单位质量铂功率密度达到7.38Wmg-1,比阳极铂载量为0.30mgcm-2膜电极性能提高近6倍,这充分说明超声喷涂方式可获得表面涂覆均匀的膜电极,有效提高催化剂利用率,为低铂载量膜电极制备提供了保障。初步研究结果表明催化层表面形貌、催化剂表面与作为粘结剂的超薄Nafion薄膜界面处水分布情况、催化剂浆料分散状态对膜电极性能有重要影响。通过调节催化剂浆料溶剂醇水比,可获得不同的催化层表面形貌。相比于150%标准固含量催化剂浆料,50%标准固含量催化剂浆料能以290nm左右的团聚颗粒长期稳定存在,以此浆料调节醇水比后进行超声喷涂能获得更加均匀的催化剂涂层,从而获得更好的电化学性能。以阴极铂载量为0.55mgcm-2,阳极铂载量为0.10mgcm-2为例,当表面形貌相近时,50%标准固含量膜电极性能达412mWcm-2,是150%标准固含量催化剂浆料制备膜电极性能的13倍左右。本文创造性地设计了氢气供应不足实验,实验表明即使在无加湿的条件下,催化剂表面与作为粘结剂的超薄Nafion薄膜(<60nm)界面处仍有可能积水,是导致膜电极闭端长时放电性能降低的重要原因，更加深入地了解在燃料电池实际操作条件下水在超薄Nafion薄膜及超薄Nafion薄膜与催化剂界面处的扩散行为是了解膜电极中电化学过程的关键。
【作者】姜东；
【导师】王树茂；曾蓉；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】质子交换膜燃料电池；膜电极；超声喷涂；催化剂；界面；

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