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《合肥工业大学》 2017年
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高温质子交换膜材料的制备和性能研究

黄鑫  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)因能量转化率高,污染小,启动快,设计简单等,受到了越来越多越高的关注。为了实现质子交换膜燃料电池的产业化发展,需要提高其工作温度,以降低阳极中催化剂铂的使用量。一般的PEMFC由于电解质材料的限制,只有在200℃下才表现出较好的电化学性能。因此,研究开发高温质子交换膜燃料电池的电解质材料是当前PEMFC领域的热点之一。聚苯并咪唑(PBI)热稳定性较好,机械强度较高,其聚合物在得失氢质子后呈现氧化或还原态,并能产生部分交联,具有良好的稳定性,在分子间可以形成连续的氢键,使得传递氢质子成为可能。纯PBI在常温下是绝缘体,所以需要对PBI进行改性处理,掺杂导电离子,才能提高PBI的电导率。目前比较主流的方法是采用PBI膜浸泡到磷酸当中,得到磷酸掺杂的PBI膜。但是在高温的条件下,磷酸会随着温度过高而流失,导致质子电导率的降低,所以PBI电解质的工作温度一般在170℃以下。所以需要寻找不依赖磷酸的质子导体作为电解质。本文致力于寻找适用于200℃-500℃的电解质,研究其电化学性能,及在燃料电池的应用。并希望通过进一步掺杂和改善其微观结构,提高电解质的稳定性和性能。本文尝试采用固相法分别制备了 CeP207/BP04、CeP207/BP04/GO、CeP207、Ce3+掺杂的CeP207、SnP207、介孔SnP207,并测试它们的电化学性能。全文所得主要结论如下:(1)通过固相法制备出了 CeP207/BP04、CeP207/BPO4/GO粉体,经压制烧结制成电解质。通过X射线衍射仪,扫描电子显微镜,同步热分析仪等对粉体进行表征。再利用电化学工作站进行电化学性能研究。CeP207/BP04/GO复合电解质的电导率,温度从200℃到250℃,电导率从0.09提到到0.14S·cm-1,但是在300℃电导率降低到0.08 S · cm-1。但是仍然高于相同温度下CeP207/BP04的电导率。说明GO的加入确实可以提高复合膜的电导率。CeP207/BPO4/GO在250℃功率密度达到最高240 mW·cm-2,明显高于同样温度下的CeP207/BP04的125mW · cm-2。表明CeP207/BP04/GO复合电解质即便在高温低湿度的条件下,依然有着很高的电导率和电池性能。(2)通过CeC13的掺杂,经过CeO2和H3P04反应,制备出了 Ce0.9Ceo.1P2O7、CeP207粉体。XRD分析结果表明CeP207,Ceo.9Ce0.1P2O7为立方相。通过X射线光电子能谱,傅里叶红外分析仪分析,结果可以证明低价态的Ce3+已经成功掺入到CeP207的晶格之中。利用同步热分析仪测试了粉体的热稳定性。采用交流阻抗法测试了电解质的电导率。Ceo.9Ceo.1P2O7的电导率在160℃到200℃从0.006 S·cm-1提高到了 0.01 S·cm-1,但是在200℃之后,电导率会随着温度升高而降低,但是电导率仍旧高于纯的CeP207。Ce0.9Ceo.1P2O7电解质的单电池还有着更好的电化学性能,在200℃的功率密度达到最高26.6mW·cm-2,相比于CeP207最高的功率密度只有18 mW · cm-2。这些结果都表明Ce0.9Ceo.1P2O7是可以作为潜在的高温质子交换膜燃料电池的电解质的材料。(3)通过SDS作为活性剂,采用软模板法制备介孔的Sn02,再通过固相反应制备介孔SnP207。通过X射线衍射仪,扫描电子显微镜,透射电子显微镜,同步热分析仪等对烧结体进行表征。借助BJH模型,可得到其中介孔的SnP207平均颗粒约为255nm,孔隙直径约4nm,符合介孔尺寸标准(IUPA),样品确为介孔材料。介孔的SnP207的电导率从180℃-220℃随着温度上升而提高,在220℃为0.015S·cm-1,非介孔的SnP207的电导率为0.0029 S·cm-1。然而,随着温度的上升,电导率发生了明显的降低。介孔的SnP207相比非介孔的SnP207有着更好的电化学性能,在220℃时,达到15mW·cm-2。而非介孔的SnP207在同样的温度下,功率只达到4.1mW·cm-2。
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM911.4

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