质子交换膜燃料电池膜电极结构研究

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1、中国科学院研究生院博士学位论文质子交换膜燃料电池膜电极结构研究王晓丽指导教师张华民研究员中国科学院太进化学物理研究所申请学位级别论文提交日期培养单位学位授予单位博士学科专业名称化学工程2006／10／11论文答辩同期2006／12／1中国科学院大连化学物理研究所答辩委员会主席刘长厚摘要摘要膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件。由催化层和气体扩散层构成的电极是物质传递和电化学反应发生的重要场所。研究与制备结构先进合理的MEA不仅直接影响PEMFC的输出性能，而且对降低PEMFC的制造成本

2、、提高比功率、加快商业化进程均至关重要。本论文综合考虑了目前常用的亲水型和憎水型催化层结构特点，提出一种Nation热解型催化层，在该催化层中部分热分解后失去磺酸根而具有疏水性质的Nation充当憎水剂，未分解的具有亲水性质的Nation充当质子导体，从而有效拓展了三相界面，提高了催化剂利用率和电池性能。另外，本文在研究了基底层传质特点的基础上，认为微孔层(MPL)具有的重要水／气管理功能。从而以微7L层为研究重点，考察了碳粉的物性对微孔层孔结构性质的影响，实验结果表明用于微孔层制备的碳粉应具有适当的比表面积

3、和孔容。对高比表面积的碳粉进行“堵孔”修饰后得到的碳粉，有利于微孔层的传质和电池性能的提高。本论文首次提出采用复合碳粉构建具有适宜亲／疏水孔隙结构的微孑L层，并制造出具有梯度孔隙率结构的气体扩散层(GDL)，加强了传质，从而提高了电池的输出性能。本论文成功利用微波介电加热技术制备出碳载聚四氟乙烯(PTFE／C)纳米复合粉体，并应用于微孔层制备。该微孔层表现出较好的传质能力，且具有工艺重现性好、生产工艺简单等特点，具有较强的实际应用价值。关键词；质子交换膜燃料电池；催化层；气体扩散层；基底层；微孔层Abstra

4、ctXiaoliWang(ChemicalEngineering)DirectedbyProf．HuaminZhangMembraneelectrodeassembly(MEA)isoneofthekeycomponentsofprotonexchangemembranefuelcells(PEMFCs)．Theelectrode，composedofthecatalystlayer(CL)andthegasdiffusionlayer(GDL)，playsanimportantroleinthemasstr

5、ansportationandelectrochemicalreactions．TheresearchanddevelopmentofMEAwithreasonablestructureandpmpeaiesnotonlydeterminetheperformanceofPEMFC，butalsoeffectonreducingthecost，improvingthepowerdensityandacceleratingthecommercialization．AnovelNation—pyrolyzedel

6、ectrodeWasdevelopedbasedontheadvantagesofbothPTFE．boddedelectrodeandNaflon．bondedelectrode．Insuchanelectrode．NationselvesasbondersandprotonconductorsandtheprolyzedNationwithoutsulfonicacidgroupactsashydrophobicmaterials．Thethree—phasereactionzonesareextende

7、dandtheutilizationofcatalystsisincreasedtosomeextent．Asaresult，theimprovedcellperformancewasobtained．Basedontheresearchofmasstransportationinthesubstratelayer，theimportanceofthemicro—porouslayer(MPL)wasprovedbyitsexcellentabilityingas／watermanagement．Theinf

8、luenceofcarbonblackonMPLporestructurewasexamined．ItWasfoundthatthecarbonblackwithproperspecificsurfaceareaandporevolumeWasnecessaryfortheconstructionofMPL．Withthemicro—pore—blockingtreatment，acarbonbla