質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）體積小、環(huán)境友好、室溫下快速啟動(dòng)、能量密度高，是未來(lái)氫能時(shí)代最理想的動(dòng)力源。但是，單電池成本高、操作復(fù)雜一直是阻礙PEMFC商業(yè)化的主要原因。PEMFC的核心組件是膜電極（MEA），優(yōu)化MEA的結(jié)構(gòu)，改善制備工藝可以有效提高PEMFC性能，降低成本。
　　本文采用涂覆法來(lái)制備氣體擴(kuò)散電極（GDE），采用熱壓法來(lái)制備MEA。通過(guò)考察不同操作溫度和不同操作壓力下MEA的性能變化，來(lái)評(píng)價(jià)氣體傳質(zhì)與水平衡這

2、兩個(gè)因素對(duì)MEA性能的影響。為了提高氣體傳質(zhì)與保持電池內(nèi)部的水平衡分別在MEA中膜兩側(cè)建立微孔層（MPL），也就是MEA的陰極和陽(yáng)極分別具有“質(zhì)子交換膜│催化層│微孔層│擴(kuò)散層”的結(jié)構(gòu)。
　　首先研究了PTFE處理碳紙的方法和工藝，即采用浸漬法對(duì)碳紙材料進(jìn)行疏水化處理，優(yōu)化出PTFE乳液的浸漬濃度、浸漬時(shí)間和灼燒溫度、以及最佳PTFE含量。電池最高比功率可以達(dá)到0.6W/cm2，達(dá)到實(shí)驗(yàn)使用要求。
　　分別采用經(jīng)疏水處理和未

3、經(jīng)處理的碳紙制備制備MPL，并組裝成單體電池來(lái)評(píng)價(jià)MEA性能，通過(guò)SAS軟件擬合其電化學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)未經(jīng)疏水處理的碳紙，MPL的最佳PTFE含量為40％，最高比功率為0.62W/cm2；經(jīng)疏水處理的碳紙，MPL的最佳PTFE含量為30%，最高比功率達(dá)到0.63W/cm2。
　　分別采用碳酸氫銨和硫酸銨兩種造孔劑材料來(lái)對(duì)MPL的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。分別考察了兩種造孔劑的含量對(duì)MPL孔結(jié)構(gòu)以及MEA的性能影響，并優(yōu)化出最佳用量。結(jié)果

4、表明硫酸銨m:顆粒碳m為1:1時(shí)性能最佳，電池最高比功率可以達(dá)0.68W/cm2。
　　本文在催化層中也添加造孔劑，并優(yōu)化出最佳造孔劑載量。結(jié)果表明，造孔劑改善了催化層的孔結(jié)構(gòu)，利于反應(yīng)氣體的傳輸。對(duì)容易被淹漬的陰極進(jìn)行疏水改造，并優(yōu)化出最佳PTFE載量。
　　本文還研究了不同有機(jī)溶劑對(duì)催化層孔隙率的影響。采用MalvernNanoZS型納米粒度位儀測(cè)量Nafion在不同有機(jī)溶劑中的粒度分布，使用不同溶劑制備催化層并組裝成單