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质子交换膜燃料电池有序膜电极研究

作　者: 赵月
导　师: 赵红
学　校: 大连交通大学
专　业: 环境科学
关键词: 质子交换膜燃料电池 Pt催化剂膜电极有序
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了提高质子交换膜燃料电池的工作性能和延长电池的使用寿命,有些关键的问题面临解决。燃料电池的商业化以及产业化对于技术层面也是提出了更高的解决要求,寻求在经济和技术上的双重科学处理方法是势在必行。质子交换膜燃料电池膜电极(包括催化剂)的组成和结构是其中的关键,直接影响电池性能。虽然催化剂颗粒细小,比表面积大,但是容易受操作条件影响反而发生变化。伴随着水的流动和使用时间的延长,炭载体的电化学氧化和铂纳米颗粒的聚集,催化剂失活严重,大大抑制了电池的耐久性。本文的出发点就是针对上述问题,通过对质子交换膜燃料电池膜电极有序化的设计,有目的限制Pt团聚,从而提高电池活性和耐久性。在实验中分别制备了载铂的有序质子交换膜和担载有序Pt纳米丝炭纸电极。首先采用采用真空溅射法,以烧解镍作为模板,采用自制的减压真空玻璃装置作为抽滤设备,在压强差存在的情况下制备出有序Nafion质子交换膜。采用化学沉积法,利用本实验室专利U型反应器(申请号201210411453.4),根据离子的浓度差产生的不同渗透压,在上述有序Nafion膜上负载Pt纳米粒子,制备载铂的有序质子膜。另外采用自主还原法,以聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)作为粒子分散剂,直接在炭纸上生长Pt纳米线,制备出担载有序Pt纳米丝炭纸电极。SEM测试手段考察了上述铂负载膜电极的形貌,利用ICP等测定了组成。XRD对膜电及催化剂的晶体结构进行分析。利用电化学工作站和三电极体系测定了膜电极的电化学性能。上述表征显示载铂的有序质子膜和担载有序Pt纳米丝炭纸电极都显示了良好的导电性和催化活性。本研究证实膜电极有序性的建立和其工作机理等方面都值得继续深入研究。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章文献综述  10-23
  1.1 质子交换膜燃料电池概述  10-17
    1.1.1 质子交换膜燃料电池的工作原理  10-11
    1.1.2 质子交换膜燃料电池的主要组成部分  11-17
    1.1.3 质子交换膜燃料电池对膜电极的要求  17
  1.2 膜电极概述  17-20
    1.2.1 膜电极的研究现状  17-18
    1.2.2 膜电极的制备方法  18-20
  1.3 本论文的选题背景及意义  20-22
  1.4 本论文的工作思路及主要内容  22-23
第二章实验材料及实验方法  23-29
  2.1 实验试剂与材料  23-24
  2.2 实验仪器与设备  24
  2.3 材料的表征方法  24-26
    2.3.1 表观形貌分析——扫描电显微镜(SEM)  24-25
    2.3.2 晶粒结构分析——X-射线衍射分析(XRD)  25
    2.3.3 元素分析(Energy Disperse Spectroscopy,EDS)  25
    2.3.4 元素含量测定——电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)  25-26
  2.4 催化剂的电化学表征  26-29
    2.4.1 循环伏安法测试  26-27
    2.4.2 交流阻抗法  27-29
第三章铂负载有序质子交换膜的制备及性能研究  29-45
  3.1 引言  29-30
  3.2 有序质子交换膜的制备及优选  30-36
    3.2.1 有序质子交换膜制备装置图  30-31
    3.2.2 有序质子交换膜制备的前处理  31
    3.2.3 有序质子交换膜的制备  31-32
    3.2.4 有序质子交换膜的优选  32-36
  3.3 化学沉积法铂负载有序膜电极的制备及影响因素研究  36-41
    3.3.1 化学沉积法铂还原装置图  36-37
    3.3.2 铂负载有序膜电极制备的前处理  37
    3.3.3 载Pt有序质子交换膜的制备  37-38
    3.3.4 制备载Pt有序质子交换膜电极影响因素的研究  38-41
  3.4 化学沉积法铂负载有序膜电极的性能研究  41-43
    3.4.1 Nafion膜表面Pt担载量的测定  41-42
    3.4.2 交流阻抗分析  42-43
    3.4.3 循环伏安曲线分析  43
  3.5 本章小结  43-45
第四章担载有序Pt纳米丝炭纸电极的制备及性能研究  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 自主还原法有序Pt纳米丝负载炭纸电极的制备  45-47
  4.3 自主还原法制备有序Pt纳米丝负载炭纸电极影响因素的研究  47-51
    4.3.1 铂负载基底对有序膜电极表观形貌的影响  47-48
    4.3.2 光照条件对有序膜电极表观形貌的影响  48-49
    4.3.3 聚乙烯基吡咯烷酮对有序膜电极表观形貌的影响  49-50
    4.3.4 生长时间对有序膜电极表观形貌的影响  50-51
  4.4 化学性能研究  51-55
    4.4.1 元素组成分析—EDS  51
    4.4.2 晶体结构分析—XRD  51-52
    4.4.3 碳纸表面Pt担载量的测定  52-53
    4.4.4 电化学性能研究—CV曲线  53-55
  4.5 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-63
攻读硕士学位期间发表的学术论文  63-64
致谢  64

质子交换膜燃料电池有序膜电极研究

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