刮涂法制备燃料电池膜电极过程中溶剂的影响及优化
质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是当前最具有应用前景的氢能高效转换利用技术。目前，MEA主要通过以下三种途径来制造:（1）催化剂涂覆于气体扩散层（GDE）;（2）催化剂涂覆于质子交换膜（CCM）和（3）催化剂涂覆于贴花基材（DTM）。而在催化剂浆料涂布过程中，浆料配方（由催化剂、离聚物和分散溶剂构成）、基材材料（聚四氟乙烯薄膜、质子交换膜、气体扩散层）等工艺条件都会影响催化剂层微观结构的形成，进而直接影响MEA中活性三相位点的数量与分布。针对刮涂工艺存在的膜与催化剂层之间接触性差、电池性能较低的不足,本文围绕刮涂法制备膜电极的工艺优化展开了相关的研究，对比探究了在不同基底材料上溶剂效应对PEMFC性能的影响，并基于上述发现开发了一种基于GDE法的膜电极制备方法，对高性能MEA的大规模开发具有科学指导和应用借鉴意义。具体内容如下: （1）探究了催化剂浆料中溶剂类型对催化剂层的影响。首先对刮涂法制备MEA工艺进行了优化，获得了高性能的MEA。随后探究贴花法制备MEA过程中，使用不同的分散溶剂制备的浆料对催化剂层的影响。通过进行催化剂层接触角测试、扫描电镜分析，可以发现，分散溶剂的沸点和粘度影响着催化剂浆料的可涂布性以及浆料的干燥步骤，进而影响膜电极中三相位点以及良好的膜与催化剂层接触界面的形成。 (2)探究了催化剂浆料直接刮涂于PEM(CCM法)和GDL(GDE法)以及浆料溶剂类型对所得MEA性能的影响。通过对不同分散溶剂制得的MEAs进行单电池测试、低氧浓度测试，同时结合催化剂层的物理表征进行了对比，可以发现往PEM或GDL表面刮涂催化剂浆料时，Nafion离聚物在分散溶剂中以溶液形式存在时，拥有较好的电池性能。同时，分散溶剂的沸点、粘度和密度等物理性质也会影响催化剂浆料作用于基底材料时的分散状态。 (3)为解决基于GDE法制备得到的催化剂层与PEM界面离子传导内阻大的问题，开发一种基于GDE法的新型膜电极工艺:GDE中间层法，优化后的膜电极制备工艺制得的MEA的电池性能提升了8.8％。进一步对额外喷涂的离聚物树脂溶液稀释剂的种类对PEMFC电池性能的影响进行了探究，建立了一维气体传输模型，对传质阻力进行了分析，发现当离聚物中间层以溶液形式覆盖在气体扩散电极表面时，氧气到达催化剂活性位点所需走的路径少，总体气体传输阻力小。
燃料电池;催化剂浆料;分散溶剂;刮涂法;膜电极
北京化工大学
硕士
材料与化工
庄仲滨;李瑞宇
2023
中文
TM911.4;TM24
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）