摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）因具有能量转换效率高、零污染、能在低温下快速启动等优点,越来越受到人类的...质子交换膜燃料电池（PEMFC）因具有能量转换效率高、零污染、能在低温下快速启动等优点,越来越受到人类的关注和认可,在动力汽车和小型便携式发电装备上具有广泛的应用前景。到现在为止,越来越多的科研人员聚焦在PEMFC中,也在这个领域取得了越来越多的成果。膜电极（MEA）是PEMFC的核心部分,MEA性能的好坏直接决定了PEMFC性能的好坏。MEA主要包括质子交换膜（PEM）、阴极催化层（CaCL）、阳极催化层（AnCL）、阴极气体扩散层（CaGDL）和阳极气体扩散层（AnCL）五部分,通常把这种MEA称之为“五合一”MEA。有时候又将气体扩散层分为碳纸（CP）和微孔层（MPL）,对于这种MEA称之为“七合一”MEA。MEA的这几个部分对MEA的性能都有很重要的影响,每个部件都是不可或缺。而MEA中催化层是整个PEMFC发生化学反应,将化学能转化成电能的场所,所以催化层的作用也是不言而喻。氢气在阳极催化层中经氧化反应变成质子和电子,这部分反应比较容易发生,而且在阳极中没有过多的副产物产生以致影响阳极催化层的反应速率和催化剂活性;而在阴极催化层中,涉及氧气分子的还原反应,氧气分子和阳极转移过来的质子和电子在催化剂的作用下反应生成水。阴极氧气的还原反应要比阳极的反应要复杂,并且伴随有副产物水的产生。所以阴极催化层的制备与设计比阳极催化层面临的困难和挑战更多,首先是阴极水管理问题,阴极容易发生水淹现象,水淹会导致阴极催化剂活性降低以及气体扩散孔道被堵塞。而另一个问题是阴极催化层中氧气的还原比较困难,催化剂的利用率比较低。针对这些问题,本论文的研究也主要集中在MEA阴极催化层的设计和构筑方面。本论文主要是通过对阴极催化层的研究与探索,制备了具有高性能高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极,有效地提升了MEA的性能,对PEMFC的商业化具有非常重要的意义。本文从MEA阴极催化层的角度系统地研究了高性能高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极,研究工作内容主要包括:以提高质子交换膜燃料电池膜电极性能和功率密度、提升膜电极耐久性和增强膜电极在低反应气体背压下的性能为目的,以氟碳化合物为疏水剂,添加到MEA阴极催化层,制备了具有疏水性阴极催化层的高性能高功率密度膜电极;采用碳纳米材料为阴极催化层三维结构筑构剂、氟碳化合物为疏水性物质,同时添加到MEA阴极催化层制备了具有三维结构疏水阴极催化层的高性能高功率密度膜电极。首先,采用Nafion为催化层的离子聚合物粘结剂,制备了催化层不同Nafion含量的膜电极。初步地探究了MEA催化层中离子聚合物Nafion的含量对MEA性能的影响,并且对Nafion的含量进行了优化了。结果表明,当催化层中Nafion的含量为35 wt.%的时候,膜电极可以获得最好的性能。其次,采用疏水性的氟碳化合物（FC）作为疏水剂添加到阴极催化层中制备了一种阴极催化层具有疏水能力的膜电极。研究中探究了FC的添加量、空气的流量对膜电极性能的影响,并且考察了该阴极催化层具有疏水能力膜电极的耐久性。结果表明:阴极催化层添加了疏水性的FC之后膜电极的性能和耐久性都得到了提升。FC的添加能够有效地改善阴极的水管理能力,当FC的添加量为50 wt.%时,不仅可以很好地改善水管理能力,还能提升MEA的性能。当电池温度为70℃,气体背压30 psi和RH100%的条件下,MEA在0.7 V时的电流密度为950 m A cm-2,0.6 V的电流密度为1450 mA cm-2,最大功率密度达到865 mW cm-2。当经过了60 h的长时间的稳定性测试后,MEA的性能衰减了10%,而空白MEA经过60 h的长时间放电后性能衰减了23%,比起空白MEA有了很大的提升。最后,在采取疏水性氟碳化合物作为阴极催化层疏水剂的基础上,同时添加了碳纳米材料（CNM）作为阴极催化层三维结构构筑剂,制备了具有三维结构疏水性阴极催化层的膜电极。研究中探索了CNM的添加量、FC的添加量和不同气体背压对MEA性能的影响。结果表明:阴极催化层添加了CNM和FC之后膜电极的性能和低背压条件下的电池性能都得到了提升。经过优化之后,发现当CNM的添加量为20 wt.%,FC的添加量为50 wt.%时,MEA可以获得最好的电池性能。当电池温度为70℃,气体背压30psi和RH100%的条件下,电压0.7 V的时候,电流密度高达1 A cm-2,电压0.6 V的时候,电流密度达到1.5 A cm-2,而最大功率密度为905 mW cm-2。当反应气体背压降低到20 psi时,MEA的性能几乎没有衰减;当气体背压继续降低至15 psi时,MEA在0.7 V时的电流密度有750 mA cm-2,0.6 V时的电流密度为1.3 A cm-2,而最大功率密度也还能保持在855 mW cm-2。更多还原显示全部
