学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于CoTETA/C氧还原的质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺研究

作　者: 甘涛
导　师: 蒋淇忠
学　校: 上海交通大学
专　业: 化学工程
关键词: 质子交换膜燃料电池 CoTETA/C 氧还原催化剂 膜电极装备 多壁碳纳米管
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 36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)作为新一代的发电技术,具有操作温度低、能量效率高和环境友好等优点,具有广阔的应用前景。开发非贵金属氧还原催化剂是PEMFC的研究热点,目前,过渡金属大环化合物氧还原催化剂存在着原料价格昂贵、制备工艺复杂且易环境污染等问题。基于此,本课题组设计并制备了CoTETA/C氧还原催化剂,CV测试表明该催化剂具有较好的氧还原活性,但是基于该类催化剂的膜电极(MEA)制备工艺目前没有报道。本文首先研究了以Pt/C为催化剂的MEA制备工艺,分别使用机械热压法和直接涂膜法制备MEA。主要考察了机械热压法制备MEA的工艺参数,包括:热压压强、热压时间、催化剂浆料对单电池性能的影响,并且比较了两种制备方法所制备MEA的单电池极化曲线。同时对单电池的活化和测试条件进行了研究,摸索出电池的最佳活化方法和测试条件。接下来本文研究了使用本课题组所开发的CoTETA/C为阴极催化剂的膜电极制备工艺,由于该催化剂和Pt/C催化剂性质的差异,使用基于Pt/C催化剂的MEA制备方法所制备的以CoTETA/C为阴极催化剂的膜电极单电池性能不佳,本论文对此进行研究,并分别开发出以CoTETA/C为阴极催化剂的机械热压法和直接涂膜法膜电极制备工艺。并对其进行交流阻抗研究。最近,碳纳米管由于其独特的孔结构、孔容、孔径分布以及表面官能团有利于金属在载体上的分散,进而能提高催化剂的氧还原活性而被广泛用作催化剂的载体,本文使用多壁钛纳米管做载体制备CoTETA/MWNT,并对制备方法和性能进行研究,对催化剂的活性位的产生作了一定探讨。通过以上研究,本文主要得出如下结论:1使用机械热压法制备基于Pt/C催化剂的MEA最佳制备条件是:采用异丙醇作为溶剂、热压压强为8 MPa、热压时间为45 S;其最佳工作条件:工作温度为80 oC,氢气侧增湿温度为95 oC,氧气侧增湿温度为75 oC;机械热压法所制备的MEA最大功率密度为604.3 mW/cm~2,而直接涂膜法所制得的MEA最大功率密度可达700.3 mW/cm~2。2使用机械热压法制备基于CoTETA/C催化剂的MEA最佳制备条件是:热压压强为12 MPa,阴极催化剂的载量为2 mg/cm~2,阳极催化剂的最佳载量为0.15 mgPt/cm~2,CoTETA/C与Nafion的最佳质量比为2:1,Pt/C与Nafion的最佳质量比为2:1。通过在催化剂浆料中添加一定比例的乙二醇能够很好的改善CoTETA/C与Nafion膜的接触,大大提高单电池性能,机械热压法所制备的MEA最大功率密度为:180.9 mW/cm~2,直接涂膜法所制得MEA最大功率密度为:218.3 mW/cm~2。3对以CoTETA/C为阴极催化剂的MEA进行单电池交流阻抗测试,并建立了相应的等效电路。经研究发现:提高CoTETA/C催化剂的载量在低温下可提高单电池性能,但增加了催化层厚度,同时也增加气体传质阻力,在高温下增大了催化剂水淹的可能性,因而高温下提高CoTETA/C的载量单电池性能反而下降,电池的最佳测试温度为60 oC。4使用MWNT作为碳载体代替BP2000,所制备的催化剂比表面积更小,通过TEM研究发现Co单质有一部分较均匀地分布在MWNT上面。其氧化还原电位比使用BP2000所制备催化剂低0.004 V,氧还原电流大30 mA。单电池测试表明其电流密度更大。通过研究发现热处理对催化剂的氧还原活性很重要,催化剂的活性位在较高的热处理温度下生成。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-30
  1.1 燃料电池的发展历史及分类  12-13
  1.2 质子交换膜燃料电池  13-18
    1.2.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）概况  13-14
    1.2.2 质子交换膜燃料电池工作原理及特点  14-18
  1.3 质子交换膜燃料电池的膜电极  18-21
    1.3.1 MEA 的基本结构  18-21
  1.4 氧还原催化剂研究现状  21-24
    1.4.1 铂及铂合金  21-23
    1.4.2 过渡金属大环化合物  23-24
  1.5 膜电极制备工艺的进展  24-28
    1.5.1 机械热压法  24-26
    1.5.2 直接涂膜法  26-28
  1.6 本课题研究目的和内容  28-30
    1.6.1 基于Pt/C 催化剂的MEA 制备技术研究  28-29
    1.6.2 基于CoTETA/C 催化剂的MEA 制备技术研究  29
    1.6.3 CoTETA/MWNT 催化剂的制备研究  29-30
第二章 实验部分  30-41
  2.1 实验仪器与药品  30-31
    2.1.1 实验仪器  30-31
  2.2 CoTETA/C 催化剂的制备  31-32
  2.3 催化剂电化学性能测试  32-33
  2.4 催化剂表征  33-35
    2.4.1 X 射线衍射  33
    2.4.2 透射电子显微镜  33-34
    2.4.3 扫描电子显微镜  34
    2.4.4 X 射线能量散射谱仪  34
    2.4.5 电感耦合等离子发射光谱仪  34
    2.4.6 X 射线光电子能谱  34-35
  2.5 MEA 的制备  35-37
    2.5.1 Nafion 膜的预处理  35
    2.5.2 机械热压法制备MEA  35-36
    2.5.3 直接涂膜法制备MEA  36-37
  2.6 单电池测试  37-41
    2.6.1 单电池极化曲线测试  38-39
    2.6.2 单电池交流阻抗图谱测试  39-41
第三章 基于Pt/C 催化剂膜电极制备技术研究  41-53
  3.1 MEA 的制备条件  41-45
    3.1.1 机械热压法制备MEA 的性能研究  41-45
    3.1.2 直接涂膜法制备MEA 的性能研究  45
  3.2 MEA 活化和单电池测试条件的研究  45-51
    3.2.1 MEA 活化条件的研究  45-48
    3.2.2 单电池测试条件的研究  48-51
  3.3 MEA 耐久度测试  51-52
  3.4 小结  52-53
第四章 基于CoTETA/C 催化剂膜电极制备技术研究  53-70
  4.1 CoTETA/C 催化剂的讨论与研究  53-55
    4.1.1 CoTETA/C 催化剂的循环伏安测试  53
    4.1.2 CoTETA/C 催化剂的表征  53-55
  4.2 基于CoTETA/C 催化剂MEA 制备工艺研究  55-64
    4.2.1 机械热压法制备工艺研究  55-61
    4.2.2 直接涂膜法MEA 制备工艺  61-64
  4.3 单电池的交流阻抗研究  64-69
    4.3.1 等效电路模型建立与分析  64-65
    4.3.2 单电池运行时的 EIS 分析  65-68
    4.3.3 放电电位对 EIS 的影响以及分析  68-69
  4.4 小结  69-70
第五章 以多壁碳纳米管为载体的CoTETA/C 催化剂研究  70-79
  5.1 引言  70
  5.2 CoTETA/C 和CoTETA/MWNT 结构以及性能比较  70-77
    5.2.1 TEM-EDS 分析比较  70-72
    5.2.2 XRD 分析比较  72-73
    5.2.3 XPS 分析比较  73-74
    5.2.4 TG-MAS 分析比较  74-75
    5.2.5 CV 和单电池性能比较  75-77
  5.3 小结  77-79
第六章 结论与展望  79-81
  6.1 主要结论  79-80
  6.2 展望  80-81
参考文献  81-90
硕士期间已投稿或者发表文章  90-91
致谢  91

相似论文

  1. 质子交换膜燃料电池膜电极制备工艺的研究,TM911.4
  2. 多壁碳纳米管负载Au@Pt、Au@Pd核壳结构催化剂的制备及电化学性能研究,O643.36
  3. MWCNTs与ZnO/SnO2复合材料的制备及其NO气敏性研究,TB33
  4. 纳米银修饰多壁碳纳米管复合材料的制备和杀菌性能研究,TB383.1
  5. 质子交换膜燃料电池用Pt基催化剂的制备与性能研究,TM911.4
  6. 燃料电池不锈钢双极板及其实验和仿真,TM911.4
  7. Fe3O4、碳纳米管及石墨烯增强再生纤维素膜的研究,TB383.1
  8. 聚丙烯酰胺类功能性水凝胶的制备与性能研究,TB383.1
  9. 聚乙烯醇/碳纳米管纳米纤维毡的制备及其自组装研究,TB383.1
  10. 氮掺杂SO42-/TiO2光催化剂的一步沉淀制备及其光催化性能,O643.36
  11. 含糖聚合物纳米纤维膜的制备及其在酶固定化中的应用,TB383.2
  12. 高导热环氧树脂复合材料的制备与研究,TB332
  13. 有机无机杂化材料和纳米材料固定酶电化学生物传感器的研究,TP212.3
  14. GC/MS在环境污染物分析及海洋生态领域中的应用研究,X502
  15. 氟化碳材料制备及其锂电池应用研究,TB383.1
  16. 铂基掺铈载体薄膜电极制备及电化学性能研究,TM911.4
  17. 带超级电容的燃料电池电动汽车的优化配置和优化控制研究,U469.722
  18. 疏水粘结剂对CCM催化层电性能和耐久性的影响,TM911.4
  19. 质子交换膜燃料电池用炭纸的研制,TQ127.11
  20. 直接电子传递葡萄糖氧化酶阳极的研究,TM911.45
  21. 燃料电池延迟特性和燃料电池—蓄电池混合供电系统研究,TM911.4

中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
© 2012 www.xueweilunwen.com