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小型直接甲醇燃料电池堆的研究

作　者: 王松清
导　师: 林维明
学　校: 广州大学
专　业: 化学工艺
关键词: 直接甲醇燃料电池膜电极聚吡咯电堆
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 33次
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内容摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有高比能量、结构简单、燃料方便储存和更换燃料等优点,被认为是最有希望应用于便携电子产品(如笔记本电脑、手机、数码相机)的移动电源之一。膜电极(MEA)作为直接甲醇燃料电池的核心部件,其性能较低是限制它商业化应用的关键因素之一,尤其是甲醇从阳极向阴极的渗透以及阴极水淹问题,不仅直接影响MEA的性能,而且对DMFC的稳定性和使用寿命至关重要。鉴于此,本论文探讨了Nafion膜改性、膜电极制作工艺及电池运行条件对电池性能的影响;设计并组装了DMFC电堆,为DMFC的实用化研究提供一些经验。比较刷涂工艺和喷涂工艺制作的MEA的性能,SEM和极化曲线分析结果表明,喷涂工艺制备的催化层表面裂纹较少,表面粗糙度较小,其MEA的性能要好。通过小电流活化膜电极,改善了电极三相反应区域和Nafion的分布状况,从而提高了催化剂的电化学活性面积。单电池的适宜的运行条件为:氧气最佳流量为100mL/min,甲醇水溶液最佳浓度为2.5mol/L,甲醇水溶液最佳流量为2mL/min。在此条件下,单电池在25、40、60和80℃下的最高功率密度分别为19.42、37.86、59.96和82.82mW/cm~2。以吡咯作为原料,双氧水作为氧化剂,在Nafion117膜上合成了聚吡咯。采用聚吡咯表面修饰的Nafion膜作为电解质膜,在较高甲醇浓度和较大电流密度时,电池性能得到明显的改善,这主要是因为聚吡咯提高了Nafion膜的阻醇性能。进一步采用浸渍-还原的方法在聚吡咯修饰的Nafion膜阴极侧上沉积Co金属,制得Co/Ppy-35电解质膜,其电池性能要明显优于Ppy-35膜。设计并组装了DMFC电堆,研究了电堆运行的影响因素、电堆的极化性能、电堆电效率和电堆的稳定性。结果表明,电堆最大功率为208.7mW,电效率为23.44%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 前言  10
  1.2 直接甲醇燃料电池原理及发展  10-12
  1.3 直接甲醇燃料电池堆结构  12-15
    1.3.1 平板式电堆  12-14
    1.3.2 叠层式电堆  14-15
  1.4 DMFC 催化层CCM 方法进展  15-18
    1.4.1 直接涂膜法  16
    1.4.2 真空溅射沉积法  16-17
    1.4.3 电化学沉积法  17
    1.4.4 转印法  17
    1.4.5 浸渍还原法  17-18
    1.4.6 T-T 法  18
  1.5 MEA 的批量制备工艺  18-19
  1.6 直接甲醇燃料电池的活化以及过程  19-20
    1.6.1 电解活化  19
    1.6.2 放电活化  19
    1.6.3 水煮活化  19-20
  1.7 本论文的研究目的、意义和内容  20-22
    1.7.1 研究目的和意义  20
    1.7.2 研究内容  20-22
第二章实验原理与方法  22-28
  2.1 实验试剂、材料及仪器  22-23
    2.1.1 主要实验试剂与材料  22-23
    2.1.2 主要实验仪器  23
  2.2 膜电极的制备  23-25
    2.2.1 膜电极制备的流程图  23-24
    2.2.2 Nafion 膜的预处理  24
    2.2.3 扩散层的制备  24
    2.2.4 催化层的制备  24-25
    2.2.5 MEA 的热压  25
  2.3 质子交换膜的性能表征和分析方法  25-28
    2.3.1 红外光谱分析  25
    2.3.2 热重分析  25
    2.3.3 水的饱和吸收率  25-26
    2.3.4 质子电导率  26
    2.3.5 甲醇渗透率  26-28
第三章 DMFC 膜电极的制备以及性能研究  28-46
  3.1 制备工艺及运行条件对电池性能的影响  28-34
    3.1.1 制备工艺对电池性能的影响  28-30
    3.1.2 不同活化时间对电池性能的影响  30-31
    3.1.3 氧气流量对电池性能的影响  31
    3.1.4 甲醇浓度对电池性能的影响  31-32
    3.1.5 甲醇溶液流量对电池性能的影响  32-33
    3.1.6 运行温度对电池性能的影响  33-34
  3.2 聚吡咯表面修饰Nafion 膜对电池性能的影响  34-42
    3.2.1 聚吡咯表面修饰Nafion 膜的制备  34-35
    3.2.2 膜电极的制备  35
    3.2.3 质子交换膜的结构及性能研究  35-42
  3.3 Co 沉积聚吡咯修饰的Nafion 膜对电池性能的影响  42-44
    3.3.1 Co 沉积聚吡咯修饰的Nafion 膜的制备  42
    3.3.2 膜电极的制备  42-43
    3.3.3 Co 沉积聚吡咯修饰的Nafion 膜的性能研究  43-44
  3.4 本章小结  44-46
第四章 DMFC 电池堆设计及性能研究  46-58
  4.1 前言  46
  4.2 单电池的设计  46-49
    4.2.1 极板的设计  46-47
    4.2.2 极板流场的设计  47-48
    4.2.3 集流板和端板设计  48-49
    4.2.4 密封  49
  4.3 DMFC 电堆的设计及组装  49-50
    4.3.1 膜电极的制备  49
    4.3.2 电堆的结构方案  49-50
    4.3.3 电堆的组装  50
  4.4 电堆的性能研究  50-57
    4.4.1 运行条件对电堆性能的影响  50-54
    4.4.2 电堆的极化性能  54-55
    4.4.3 电堆的电效率  55-56
    4.4.4 电堆的稳定性  56-57
  4.5 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-66
攻读硕士学位期间所发表的论文  66-67
致谢  67

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