1．目的及意义

工业一直是推动社会经济向前发展的重要力量，但是，随着全球工业化进程不断加快，化石燃料的消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，这就使得寻找一种清洁的能源来代替化石燃料成为了迫切需求。氢的来源丰富，不仅可以由其他能源来生产氢能，而且氢能可以高效地转化为其他形式的能量。作为一种能源载体，氢在交通、工业和建筑等各个领域中都有重要的应用，并且使用氢能可以提高能源系统的灵活性。汽车是人们生活中的重要交通工具，用氢燃料电池作为汽车动力，可以达到零排放无污染，因此，使用燃料电池的汽车是名副其实的“绿色燃料”汽车。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备高效、高功率密度、快速启动和零排放的特点，近年来已成为新能源汽车的动力装置选项之一。

燃料电池的工作原理是把转换存储在燃料中的化学能为电能，这个过程包含且耦合了电化学反应、流体流动、传热、多组分扩散等多种物理现象，其中的电化学反应是燃料电池发电的核心部分。电化学反应发生在燃料电池膜电极内的催化层，因此催化层在质子交换膜燃料电池性能上起主导作用。而在制备燃料电池催化层时，影响电池工作性能的因素有很多，如材料的选择，各种材料的配比，催化剂的分布均匀程度等等。这就涉及到材料、化学、化工等方面的问题。因此探究质子交换膜燃料电池催化层特性，有助于进一步优化质子交换膜燃料电池的工作性能。

自质子交换膜燃料电池发展至今，膜电极技术已经经历了几轮革新。膜电极工艺技术发展经历了GDE型膜电极、CCM型膜电极和有序化膜电极三个阶段。GDE型膜电极制备工艺现已逐渐被淘汰。CCM型膜电极制备工艺现已被广泛采用，是目前主流的商业化膜电极制备方法。国内武汉理工新能源有限公司已开发出CCM型膜电极，已经实现商业化生产。另外，中科院大连物化所开发了静电喷涂制备CCM型膜电极，美国杜邦公司也有CCM型膜电极商业化产品。仅有美国3M公司能够商业化有序化膜电极，其它的有序化膜电极制备方法还都只停留在实验室阶段。目前，膜电极的开发重点主要集中在：一是如何有效构筑“三相反应区”，提高催化剂的利用率，减小电化学极化损失；二是如何有效构建三维多孔有序电极结构，提高反应气体和反应产物的传输能力，减少浓差极化损失。由于催化层制备工程中形成的墨水为胶体，而胶体中又涉及到其稳定性及粘度的影响，而目前国内外对墨水粘度及其物理特性的研究基本处于空白状态，因此，测量其粘度的变化有助于探究使燃料电池催化层性能达到最佳的墨水粘度，有助于优化三相反应区，构建有序电极结构，进一步完善催化层特性，探究碳载铂颗粒和杜邦Nafion溶液的相似粘度替代品。{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

燃料电池催化层墨水是由碳载铂颗粒、Nafion溶液、聚四氟乙烯等多种物质混合而形成的胶体溶液，胶体体系非常复杂，有其独特的规律性。如胶体的重力特性就涉及布朗运动、扩散与沉降；光学特性有丁达尔效应；电学特性有电泳和渗。此外，胶体也是一种流体，因此其还有复杂的流变特性。流体按其流变特性可分为牛顿流体和非牛顿流体，而非牛顿流体又有塑性流动、假塑性流动和胀流流动这几种。粘度是由于内摩擦力而产生的内部阻力，是胶体流变特性中的一个重要参数，因此，本次设计的重点是需要通过实验研究催化层墨水粘度变化特性，以确定的流动类型，探究其流变特性。

本实验的被测未知量为催化层墨水的粘度，变量为其组成成分的含量以及混合后的搅拌时间等。粘度的测量采用HAAKE粘度计测量，在墨水的粘度测定好之后，对所得的结果进行数据分析，并且将墨水涂抹到Nafion膜上，待其干燥后，通过透射电子显微镜（TEM）和比表面积孔径分析仪（BET）分析其微观结构，并进行数据处理。总体的技术路线图如图1所示。

图1 技术路线图

3. 参考文献

[1]. Sun L, Ran R, Shao Z. Fabrication andevolution of catalyst-coated membranes by direct spray deposition of catalystink onto Nafion membrane at high temperature[J].International Journal ofHydrogen Energy, 2010, 35(7):2921-2925.

[2].Wang W, Chen S, Li J, et al. Fabrication of catalyst coated membrane withscreen printing method in a proton exchange membrane fuel cell[J].InternationalJournal of Hydrogen Energy, 2015, 40(13):4649-4658.