艺。催化剂载体的影响催化剂金属最常用的载体就是碳粉。和发现，当的质量比超出时，催化剂的活化面积的就会下降，严重影响了电池的性能。使用了能够同时传导质子和电子的聚吡咯和聚磺苯乙烯混合物作为催化剂载体，以期望可以减少催化剂层中的用量。虽然，这种燃料电池的最大电流密度仅仅为，但是，从成本上考虑，它还是有客观上的价值。万方数据中国计量学院硕士学位论文气体扩散层的发展组件中，在发展过程中出现过两种结构，较早出现的是石墨化的碳纸或碳布。后来随着技术的改进，研究者在碳纸或者碳布上制造了层微孔层，来提高催化剂的利用率。目前，商业化的般使用的都是后种。的厚度主要在之间。在中，起到了很多作用传导双极板与催化剂层之间的电子作为催化剂层的基底排除内部的液态水传输反应物和生成物。所以，材料要满足高的电导率良好的机械性能良好的热传导和抗腐蚀能力高的孔隙率。当工作的时候，中会产生水，若气体扩散层中的液态水含量过高时，反应气体就无法传输到催化剂层，从而影响电池的性能。研究者常常将添加到气体扩散层中，以起到憎水的作用。最佳的含量为。过量的会减少气体扩散层的孔隙度，从而影响反应气体的传输此外，无法传导电子，过量的增大电池的内阻。微孔层的影响微多孔层的引入是结构上的大突破。它处于碳纸碳布支撑层和催化剂层之间。在制备催化剂层之前，将和碳粉混合物添加到支撑层上，制备成层微孔层。微孔层填充了支撑层的缝隙，避免了催化剂进入支撑层缝隙造成浪费，同时增加了支撑层与催化剂层之间的连接，降低了接触电阻。发现微孔层中含量为时，电池的性能达到最佳状态，此时，电池的电流密度为电池的电压为。的实验证明，微孔层使的性能在相同载量下得到明显的提高。还发现，微孔层的存在虽然会降低的水含量饱和度，但是降低的程度只与微孔层中水的存在条件有关。其他影响因素研究了气体扩散层中碳粉种类对电池性能的影响。他发现，在催化剂层和气体扩散层中添加碳粉和碳粉可以极大程度地提高催化剂层的氧化还原活性。发现，气体扩散层的厚度也对电池的性能有很大的影响。当厚度为时，电池的功率密度随厚度的增加而增加当厚度大于时，电池的性能却随着厚度的增加而下降。还研究了中孔隙尺寸对电池性能的影响。他发现中的孔隙尺寸大小与万方数据中国计量学院硕士学位论文干燥的温度成正比高温下，中为的大孔低温下，中为的微孔。当测试的环境湿度较低时，大孔的性能优于微孔。但是，当湿度较高时，微孔却表现出更优异的性能。目前，使用的几种质子交换膜都有各自的优缺点。全氟磺酸膜和非氟化膜虽然电导率高，但是，工作温度范围小，而且价格昂贵。固体酸虽然可以提高燃料电池的工作温度范围，却难以制备加工，而且水溶性差。复合膜能是最近新兴的种质子交换膜，它够发挥不同成分的优势，虽然，它的机械性和热稳定性好甲醇透过率低低温和高温电导率有所提高，但是它在制备工艺方面的不足阻碍了它的商业化。制备催化剂层的几种方法中，比较常用的是薄层电极法，因为它工艺简单，而且性能较好。基底法虽然容易操作，但是基底法对的利用太低，需要通过添加适量的来改善电池的性能。真空沉积法和电沉积法虽然可以提高利用率和电池的性能，但是，它们工艺复杂，而且制备成本较高，此外，电沉积法会对环境造成严重污染，目前还无法投入商业化生产。现在，商业化的中使用的气体扩散层都是带有微孔层的碳纸碳布。微孔层能够减少催化剂的浪费，同时可以减少气体扩散层的电阻。微孔层中和碳粉的最佳比例随着制备工艺和碳基底的不同而发生改变。另外，气体扩散层的碳粉种类厚度孔隙尺寸对的性能也有很大的影响。本文研究目的及思路研究目的目前，使用最为广泛研究最为成熟的质子交换膜为全氟磺酸膜，如膜。这种膜的原材料为全氟磺酸树脂。膜的工作温度范围为室温，在这种温度范围内工作，膜非常容易受到燃料中残余的的毒化，从而丧失活性，但是，如果提升工作温度，则膜会失水而导致电导率严重下降，此外，当温度继续升高到时，膜还会发生不可逆的降解。其它的研究的较多的质子交换膜还有非氟化膜，但其导电能力也依赖于水。因此，它也存在于全氟磺酸膜样的缺点与不足。固体酸的超质子转变性能使其具有较高的中温质子导电率，因此，它有望发展为种可以在较高温度范围内工作的质子交换膜材料。但是，固体酸的物理性质提高了它的加工难度，如水溶性脆性。科学家们通过添加万方数据中国计量学院硕士学位论文化学性质稳定热塑性好的有机材料来提高膜的性能。因此也产生了有机无机复合膜这类质子交换膜的研究方向。有机无机复合膜在集合了有机材料和无机材料性质的同时，还保留了较高的质子电导率。但是，复合膜在具备了这些优点之后也遗留下来了各种问题。有机材料和无机导电材料通过各种方法混合制备成膜时，由于不同材料表面原子的结构存在定的差异，会导致膜内存在不同程度的缺陷，从而使膜内存在内应力，定程度上影响了膜的机械性能。此外，到目前为止，科学家对有机无机复合质子交换膜的研究重点，常常会仅仅局限在膜本身的性能，却忽略了膜后期制备成的工艺研究。在膜具有较高电导率的情况下，电极与质子交换膜的热压等制备工艺不佳也会降低的最终的电池性能，从而使之前研究功亏篑且浪费材料资源。不同种类的膜往往对应了不同的制备工艺，如热压温度热压时间压轧时的压力等等。本文的研究从质子交换膜的原材料直贯穿到最后膜的制备工艺整个流程。采用化学性能稳定的作为质子交换膜的基底材料，以介孔和固体酸的混合粉末作为质子导体来制备质子交换膜，在实验室研究的基础上进步重点研究了质子导体质子交换膜的中温电导率，以及制备工艺对电池性能的影响。以望能够为促进燃料电池的商业化进程。研究思路采用多种方法制备混合质子导体，研究不同制备方法对混合质子导体性能的影响。以热塑性好化学性能稳定的作为质子交换膜的基底，添加电导率最好的混合质子导体，制备成质子交换膜。改变基底与混合质子导体的比例，探究不用成分比例对质子交换膜电导率的影响，并发现性能最好的质子交换膜。用自制的电极作为正负极，热压制备。改变热压的压力时间温度，研究不同工艺参数对电池性能的影响，改善并发现最佳的工艺参数。本文主要研究内容及创新点研究内容万方数据中国计量学院硕士学位论文根据研究思路，我们将本文的主要研究内容归纳为以下几点复合质子导体的制备。采用熔融法研磨法干球磨法湿球磨法制备混合质子导体。研究不同制备方法对复合质子导体的电导率影响。复合质子交换膜制备。以作为质子交换膜基底添加复合质子导体制备复合质子交换膜。改变基底和复合质子导体的比例，探究发现性能最佳的质子交换膜。的制备。以自制的电极作为正负极以性能最佳的质子交换膜作为电解质膜，热压制备。改变热压参数，研究不用的热压参数对电池性能的影响。改进并发现最佳的工艺参数。创新点摒弃了传统的全氟磺酸树脂，采用有机无机复合的方法制备质子交换膜。使用多种方法制备固体酸掺杂介孔粉末，并比较不同方法的优劣。采用固体酸作为质子传导的载体，使质子交换膜可以在无水条件下进行工作，减轻质子交换膜对于水的依赖，以达到简化质子交换膜水管理方面工作的目的。万方数据硕士学位论文掺杂的介孔导电性能研究及其质子交换膜的电池性能初探作者杨乐斌导师沈杭燕教授舒康颖教授学科材料物理与化学中国计量学院二〇四年三月万方数据，万方数据中图分类号学校代码密级公开硕士学位论文掺杂的介孔导电性能研究及其质子交换膜的电池性能初探作者杨乐斌导师沈杭燕舒康颖申请学位工学硕士培养单位中国计量学院学科专业材料物理与化学研究方向燃料电池二〇四年三月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留使用学位论文的规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名导师签名签字日期年月日签字日期年月万方数据致谢深深地感谢我的导师沈杭燕教授和舒康颖教授。在我攻读硕士学位期间，学习上和生活上都得到了两位导师的热心帮助和关心爱护。两位老师渊博的学识，严谨的治学态度，对待科研教育认真负责创新的态度，永远值得我学习他们缜密的思维以及对待祖国教育事业的献身精神，必将影响我终身，永远激励着我不断前进。同时，还要感谢研究生同学周曼施远驰冯赫在实验和生活上的帮助以及王雪丹师姐郭冰老师宝贵的经验。最后感谢父母在学习直给予我大力的支持，支撑我完成了学业。杨乐斌年月万方数据掺杂的介孔导电性能研究及其质子交换膜的电池性能初探摘要本文采用不同的方法来制备和介孔的复合质子导体，并研究不同制备方法对复合质子导体电导率的影响。然后，以聚偏氟乙烯作为基底，添加复合质子导体，制备复合质子交换膜改变复合质子导体的量，探索性能优异的复合质子交换膜。最后，使用不同的工艺参数，将复合质子交换膜制备成膜电极组件通过检测的电池性能，探索发现最优的制备工艺参数。研究得到主要结论如下熔融法制备的复合质子导体中，和介孔完全反应研磨法干球磨法湿球磨法制备的复合质子导体，保留了和介孔。但是，摩擦破坏了部分介孔的孔隙，使其比表面积发生了不同程度的下降其中，湿球磨法能够最好地保护介孔的孔隙结构，使样品具有最大的。此外，在范围内，介孔电导率随温度升高而降低复合质子导体电导率随温度升高而升高。添加使介孔的高温电导率大幅度提升，其中湿球磨法制备的复合质子导体具有最高的电导率。在，膜和复合质子交换膜的电导率都随着温度的升高而升高。复合质子导体的添加，使复合质子交换膜的电导率比相同温度下的膜高了个数量级。制备复合质子交换膜时，质量分数大于的复合膜具有较好的机械性能。此外，当膜内的质量分数大于时，复合膜的电导率随着含量的增加而升高。在质量分数大于的情况下，电导率最高的复合膜的各组分质量百分数为的