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微管式质子交换膜燃料电池膜电极的制备

温伟

   质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化为电能的发电装置。PEMFC的优点是工作温度低,启动性能好、无腐蚀性、电池堆设计简单、系统坚固耐用,被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站以及便携式设备的首选电源。目前质子交换膜燃料电池主要采用平板式结构,存在体积质量功率比较低、成本较高的问题,由于体积较大,很难应用于小型便携设备。 针对以上问题,本文设计制备了一种以多孔中空碳纤维管为支撑管基体的微管式质子交换膜燃料电池的膜电极,研究了不同方法处理碳纤维管的方法以增大其反应表面积;制备了Pt催化剂和Ru催化剂作为膜电极的阳极催化剂,采用浸渍沉积的方法在阴极担载了E-TEKVulcan XC-72 Pt/C电催化剂,并对其催化剂颗粒的结构、催化性能和担载量进行了测试研究;在经过质子交换膜的涂覆后制备了微管式质子交换膜燃料电池膜电极,并对其单电池性能进行了测试。 通过以上研究工作,我们得到以下结论: (1)聚丙烯腈(PAN)中空原丝的预处理采用50%DMSO对PAN原丝进行刻蚀的方法,有效地增加了表面孔洞使其获得了更大的比表面积。利用酸后处理的方法可以有效地去除经过预氧化与炭化制备的中空碳纤维管(PAN-CF)管壁上存在的无机盐及碳管碎片等杂质。 (2)研究表明,甲醛方法制备的Pt催化剂在碳纤维管表面和内部分散均匀,Pt的担载量为0.4mg/cm~2,低于一般板式PEMFC的电催化剂的担载量,催化剂粒子尺径为4.4nm,有效电化学面积为41.32m~2g_(Pt)~(-1),Pt的利用率较高,电催化性能表现良好。 (3)通过采用浸渍的方法将Nafion溶液涂覆在碳纤维管的表面,并且形成了连续的质子交换膜层,并且由FTIR的测试结果证明与商品Nafion膜的结构一致,在扫描电镜下观察厚度约为0.5μm。 (4)通过采用氢气为燃料以及甲醇为燃料在室温常压环境下对微管式PEMFC的单电池的电化学性能进行了测试,研究表明,采用氢气作为燃料的单电池性能的最大功率密度为0.23 mW/cm~2,最大电流约为2.1mA/cm~2,开路电压为0.6V,单电池的电化学性能相对较差;而采用3mol/L的甲醇作为燃料测试电池的电化学性能较好,最大功率密度为1.75mW/cm~2,最大电流密度为14mA/cm~2,开路电压为0.82V,相比采用氢气作为燃料显示出了较好的单电池电化学性能。……   
[关键词]:微管式燃料电池;膜电极(MEA);中空碳纤维管;电化学性能
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:东华大学2010年