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被动式直接甲醇燃料电池结构设计及性能研究

作　者: 赖勤志
导　师: 尹鸽平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 被动式直接甲醇燃料电池电堆阴极水淹甲醇渗透法拉第效率
分类号: TM911.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

被动式直接甲醇燃料电池（被动式Direct Methanol Fuel Cell,被动式DMFC）是直接利用甲醇水溶液或甲醇蒸汽作为燃料、氧气或空气作为氧化剂的一种燃料电池。被动式DMFC具有不使用动力泵为电极供料,完全摒弃外置的甲醇蠕动泵和空气泵的特点,减少了电池的功耗,提高了能量利用率,被认为是最有希望取代锂离子电池成为新一代便携设备电源的技术之一。本文从改善阴极水淹和阳极甲醇渗透问题着手,优化电池的运行条件,研究影响电池不同放置方式长时间放电稳定性的因素,设计新型流场结构以改善阴极水淹问题,并揭示了甲醇浓度、甲醇摩尔量、阳极流场开放面积、阳极产物等因素与甲醇渗透的相互影响关系,并在此基础上设计并研发了两种被动式DMFC电堆。研究了制约被动式DMFC性能的因素,优化了电池的运行参数。被动式DMFC中的膜电极（Membrane electrode assembly,MEA）采用恒电压0.25 V放电活化的最佳时间为36 h。甲醇溶液浓度最佳值为1.5～2.0 mol·L-1,30℃时电池的最高功率密度达到13 mW·cm^-2。较慢的物质传输速率是制约电池性能的主要因素,而温度的提高可以改善甲醇与氧气的传质过程,提高电池性能。提高阴极催化剂载量可以显著提高电池的自加热温度,提高电化学反应速率与扩散速率,对电池性能的影响更为显著,电池阴阳极催化剂载量最佳值为4.0 mg·cm^-2,20℃时电池的最高功率密度达到11.4 mW·cm^-2。空气湿度的增加对电池的极化性能影响较小,但对电池的长时间放电性能影响较大。被动式DMFC的阴阳极分别采用点状流场与平行沟槽流场时具有较好的性能。研究了阴极水淹对电池长时间放电性能的影响。电池采用阳极向上放置方式时,依靠重力的作用,能够顺利地将阴极生成的水排出,阴极水淹状况较轻,具有较好的长时间放电性能。制约电池阳极向下放置放电性能的主要因素是阳极产生的CO2阻碍了甲醇反应的通道。制约电池垂直放置方式长时间放电性能的主要原因是阴极水淹问题。针对阴极水淹问题,设计了一种新型的阴极流场结构,采用新型流场结构的电池22.2 mA·cm^-2放电10 h的电压衰减率为9.9 %,而采用传统流场的电池电压衰减率为15.3 %。新型流场可以减小电池对环境湿度的敏感度,环境相对湿度从10 %升至90 %时,电池33.3 mA·cm^-2放电5 h的电压衰减率仅上升4.4 %。研究了甲醇渗透对电池性能的影响。随着阳极流场开放面积的减小,甲醇渗透速率逐渐降低,阳极流场开放面积的降低,提高了电池使用高浓度甲醇时的极化性能。高浓度的甲醇溶液可以提高甲醇的扩散速率,在电池大电流放电的操作条件下具有较好的长时间放电性能。甲醇总量的改变并不会影响电池的放电时间与法拉第效率。设计了被动式DMFC电堆,使用表面镀金的印刷线路板作为电堆集流体时,由于存在较严重的腐蚀问题,影响电堆的长时间运行。电堆在运行过程中,各单体电池性能均一性较好,最大功率为480 mW。电堆在恒、变电流下均可稳定运行,电堆在恒电流200 mA下运行的法拉第效率为46.6 %。该电堆在连续5个放电周期内保持了较稳定的性能,电堆间歇放电的法拉第效率为43.5 %。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-29
  1.1 本研究的背景和意义  14-15
  1.2 直接甲醇燃料电池概述  15-22
    1.2.1 DMFC的工作原理  15-17
    1.2.2 DMFC的分类  17-18
    1.2.3 DMFC电堆  18-19
    1.2.4 DMFC的主要技术问题  19-20
    1.2.5 DMFC的研究现状  20-22
  1.3 被动式DMFC  22-28
    1.3.1 被动式DMFC的主要技术问题  22-23
    1.3.2 被动式DMFC的研究进展  23-28
  1.4 本论文的主要研究内容及课题来源  28-29
第2章实验材料与研究方法  29-38
  2.1 实验材料及仪器设备  29-30
  2.2 膜电极的制备  30-32
    2.2.1 催化剂的制备  30-31
    2.2.2 扩散层的制备  31-32
    2.2.3 催化层的制备  32
    2.2.4 质子交换膜的处理  32
    2.2.5 膜电极的热压过程  32
  2.3 燃料电池测试设备  32-35
    2.3.1 DMFC测试系统  32-33
    2.3.2 被动式DMFC  33-34
    2.3.3 被动式DMFC电堆  34-35
  2.4 电化学测试  35-36
    2.4.1 稳态极化测试  35
    2.4.2 恒电流与阶跃电流测试  35
    2.4.3 线性电位扫描法测量甲醇渗透电流  35
    2.4.4 电化学阻抗谱测试  35-36
  2.5 物理表征  36-38
    2.5.1 润湿性测试  36
    2.5.2 扫描电镜测试  36-37
    2.5.3 体式显微镜观测  37
    2.5.4 能量色散光谱分析  37
    2.5.5 X射线衍射分析  37-38
第3章被动式DMFC性能影响因素  38-60
  3.1 MEA活化时间的研究  38-39
  3.2 物质传输的研究  39-50
    3.2.1 进料方式的影响  39-43
    3.2.2 甲醇浓度的影响  43-46
    3.2.3 温度的影响  46-50
  3.3 催化剂载量的影响  50-54
  3.4 空气湿度的影响  54-55
  3.5 流场的初步优化  55-58
    3.5.1 阳极流场的选择  56-58
    3.5.2 阴极流场的选择  58
  3.6 本章小结  58-60
第4章被动式DMFC阴极的研究  60-79
  4.1 阴极水淹  60-68
  4.2 阴极流场的研究  68-78
    4.2.1 阴极新型流场结构设计  69-70
    4.2.2 极化曲线与功率密度曲线比较  70-71
    4.2.3 恒电流放电性能比较  71-75
    4.2.4 电池温度的比较  75-76
    4.2.5 湿度对电压衰减率的影响  76-78
  4.3 本章小结  78-79
第5章被动式DMFC阳极的研究  79-102
  5.1 MEA阳极扩散层结构优化  79-84
    5.1.1 阳极扩散层基底材料的优化  79-81
    5.1.2 阳极扩散层基底的憎水处理  81-82
    5.1.3 阳极扩散层微孔层的优化  82-84
  5.2 阳极流场开放面积的研究  84-91
  5.3 甲醇浓度对电池法拉第效率的影响  91-96
  5.4 甲醇摩尔量对法拉第效率的影响  96-97
  5.5 CO_2 对电池法拉第效率的影响  97-100
  5.6 本章小结  100-102
第6章被动式DMFC电堆结构设计及性能  102-124
  6.1 孪生电池  102-105
    6.1.1 孪生电池的结构设计  102-103
    6.1.2 孪生电池的性能测试  103-105
  6.2 被动式DMFC电堆的结构设计  105-108
  6.3 被动式DMFC电堆的性能研究  108-123
    6.3.1 被动式DMFC电堆的极化性能  108-109
    6.3.2 电堆的恒电流运行性能  109-116
    6.3.3 电堆的电流阶跃运行性能  116-117
    6.3.4 电堆的电效率  117-118
    6.3.5 电堆的启动性能  118-119
    6.3.6 电堆的长时间运行性能  119-120
    6.3.7 电堆的连续放电性能  120-122
    6.3.8 电堆的间歇放电性能  122-123
  6.4 本章小结  123-124
结论  124-126
参考文献  126-138
攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果  138-140
致谢  140-141
个人简历  141

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