碱性膜燃料电池膜电极稳定性研究
随着全球温室效应的加剧，减少碳排放成为全世界公认的保护环境的首要任务，我国也制定了“碳达峰”、“碳中和”等目标。化石能源的使用是碳排放的主要构成，且化石能源属不可再生能源，持续消耗必然导致能源危机。因此寻找可以代替化石能源的清洁能源是减少碳排放，减轻温室效应和缓解能源危机的行之有效的方案之一。氢能作为一种清洁无污染的能源，由于其储量大、热值高且无污染的特性，成为当下国家大力扶持发展的新能源。 燃料电池作为目前氢能的主要运用形式，其高效、安全等特性使其备受青睐。目前，质子交换膜燃料电池发展日趋完善，以其为动力的新能源汽车也相继推出，性能也与内燃机汽车不相伯仲。然而其汽车价格普遍高于内燃机汽车，究其原因便是质子交换膜燃料电池受限于贵金属催化剂导致成本过高。为降低成本，可使用非贵催化剂的碱性膜燃料电池进入研究人员的视野并快速发展，目前其性能已取得较大突破但稳定性(电压降低至初始稳定电压的90％时电池所运行的时间)不尽人意，制约着碱性膜燃料电池商业化进程。本论文便围绕水管理和催化剂载体等对碱性膜燃料电池稳定性具有重要影响的因素开展研究，具体内容如下: (1)探究水管理对碱性膜燃料电池稳定性的影响。通过对催化剂浆料和实验条件进行优化，调节膜电极亲疏水性与增湿程度等，进行水管理优化。通过调节碱性离聚物PAP-TP-100的添加量、添加疏水物质PTFE和Nafion、改变阴阳两极气体进气速度和背压等措施，使电池水管理得到改善，燃料电池稳定性得到明显提升。实验发现，在低气速、无背压的实验条件和离聚物和碳的质量比为1.25且加入催化剂质量10wt.％PTFE的条件下，电池水管理状态较好，可以将燃料电池电压衰减10％的时间从最初的30h电提升到130h,电压降由最初的2.30mV/h降低到0.53mV/h。 (2)探究碳载体对碱性膜燃料电池稳定性的影响。以胶体法合成Pt纳米颗粒并将其负载在不同碳载体上，制备出一系列Pt含量40wt.％的使用不同碳载体的Pt/C催化剂，该系列催化剂在三电极体系中展现出相似且较好的氧还原反应(ORR)活性，在0.9V处质量活性超过0.06A/mgPt且面积活性均超过0.24mA/cmPt2,因此可以认为催化剂的主要不同仅来自于碳载体。使用该系列催化剂，通过相同的配方制备燃料电池膜电极，在进行燃料电池加速老化测试并与商业40wt.％Pt/C催化剂对比，并结合一系列表征，探究催化剂碳载体对于燃料电池膜电极稳定性的影响。结果表明，疏水性和抗电化学氧化能力较高的碳载体可有效改善电池水管理，提升燃料电池性能和稳定性。
碱性膜燃料电池;膜电极;稳定性分析;碳载体
北京化工大学
硕士
材料与化工
庄仲滨;王新宇
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）