质子交换膜燃料电池纳米有序电极设计开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

新能源汽车的发展是解决当前能源短缺问题和环境污染问题的一个重要方向,而燃料电池汽车因其加气速度快、续航里程长等独特优势又被认为是新能源汽车的最终方案之一。[1][2]但目前燃料电池汽车的高成本却成为了其发展的桎梏,为了降低成本,我们需要提高其功率密度。[3]-[5]在pemfc的阳极上,氢气被氧化产生质子和电子,在阴极上,氧气被还原为水。由于阴极采用空气作为原料而不是纯氧,所以阴极的氧传质问题是制约电池输出电流密度的关键因素。氧传质阻力可分为菲克阻力和非菲克阻力,菲克阻力主要来自于氧在较大的孔(大于100nm直径)的自由扩散,[6]非菲克阻力主要来自于较小的孔(小于100nm直径)中的努森扩散或离子聚合物膜中的扩散。[7][8]传统的pt/c电极中孔隙无序分布,氧扩散通道蜿蜒曲折,导致氧传质难度加大,因此我们可以通过制备有序电极来减少氧气的传输路径,从而减少氧传质阻力。[9][10]

另一方面,铂催化剂与离子交换树脂的紧密结合会造成催化剂中毒,但离子交换树脂作为催化剂的粘结剂和离子传导通道却必不可少。[11]-[13]将铂纳米颗粒加载到拥有纳米级孔隙的碳载体孔隙内部可有效分离铂催化剂和离子交换树脂,但铂颗粒与离子交换树脂之间易被水填充,水膜的存在又使氧传质阻力加大,[14][15]因此,我们需要从孔径分布、孔隙率、有序度等方面综合考虑氧传输阻力的影响,通过计算和测试,构建一个合理的纳米有序电极几何结构模型。

溅射沉积是一种广泛应用的在基板上沉积薄膜的技术[16],具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。本实验采用的磁控溅射载铂法[17],以铂作为靶材料,沉积于适合的有序基底之上以制备纳米有序电极,不仅可以减少氧传质阻力,提高氧还原反应活性,并且能在确保一定的催化效率的基础上,实现铂用量的减少。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

(1)建立纳米有序电极的几何结构模型和氧传质计算模型,优化纳米有序电极结构参数;

(2)采用磁控溅射载铂法和aao模板法制备纳米有序电极材料并通过sem、tem等表征其结构性能;

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告;

第4-6周:按照设计方案,建立纳米有序电极的几何结构模型和氧还原动力学计算模型,优化纳米有序电极结构参数;

第7-9周:采用磁控溅射载铂法和aoo模板法制备纳米有序电极材料;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]wahdame b, candusso d, kauffmann j m.study of gas pressure and flow rate influences on a 500 w pemfuel cell, thanks to the experimental design methodology[j].journal of power sources, 2006, 156(1):92-99.

[2]chan,c. c . the state of the art of electric, hybrid, and fuel cell vehicles[j].proceedings of the ieee, 2007, 95(4):704-718.

[3]wuj, xiao z y, martin j j, et al. a review of pem fuel cell durability:degradation mechanisms and mitigation strategies[j]. journal of power sources,2008, 184(1):104-119.

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