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直接二甲醚燃料电池膜电极与电堆的性能研究

作　者: 蔡克迪
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: 直接二甲醚燃料电池 催化剂 膜电极 电堆
分类号: TM911.48
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 145次
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内容摘要


直接二甲醚燃料电池(Direct dimethyl ether fuel cell, DDFC)是以二甲醚(Dimethyl ether, DME)为燃料的直接型燃料电池,最近几年开始受到关注。目前的研究主要集中在DME电氧化机理上,对DDFC膜电极(Membrane electrode assembly, MEA)的研究甚少。MEA是DDFC的核心部件,是化学能直接转化为电能的场所,其性能很大程度上决定了电池的性能。因此制备高性能的MEA,优化MEA的组成与结构就显得非常重要。本论文主要结合DME燃料的特性,针对DDFC的MEA进行研究,提高了电池性能,并设计研发了一种小型被动式DDFC电堆。详细研究了MEA的组成及结构对电极性能的影响。以Pt/C为阳极催化剂的MEA在高电流密度区表现出较好的性能;在低电流密度区,PtRu/C作阳极催化剂的电极性能较优。与Pt/Vulcan XC-72相比,Pt/MWNTs对DME显示出更高的催化活性。MEA阳极催化层中随着催化剂Pt载量的增加,电极性能先增大再有所减小,阳极扩散层中PTFE的最佳含量为20 mass %。MEA阴极催化层中Nafion含量为20 mass %,扩散层中PTFE含量为30 mass %时显示出较好的电极性能。Nafion膜厚度与电池开路电压成正比,采用Nafion112的MEA性能最差,采用Nafion115膜的MEA可以获得最大的电池功率密度(46 mW cm-2)。通过对DDFC性能的研究发现,当1.5 mol L-1DME水溶液以5 mL min-1阳极进料时显示出较好的电池性能,而当DME气体饱和加湿,流速为200 mL min-1时电池性能较好。与DME气体相比,以DME溶液为燃料的DDFC可以获得更好的电池性能和长时间放电稳定性。DDFC与DMFC相比较,DME透过Nafion115膜的渗透系数比甲醇低大约一个数量级,DME在Pt/C玻璃碳电极上的初始氧化电位较甲醇负移50 mV左右。在低电流密度区,DDFC的性能要优于DMFC;在高电流密度区,DMFC则表现出较好的性能。电池在80℃工作时,DDFC的最大功率密度为56 mW cm-2,DMFC的最大功率密度为81 mW cm-2,DDFC的最大功率密度约为DMFC的69 %。针对DME在水中的溶解度随温度升高而下降的特性,研究了一种用于DDFC的MEA新结构,其阳极扩散层在同一平面上分成了亲水与憎水两个区域。电池在50℃运行时,新型MEA表现出较优的电极性能,与亲水和憎水MEA相比较,新型MEA具有较小的传质阻抗和长时间运行性能衰减率。通过改变新型MEA阳极扩散层中亲、憎水区域的面积比可调节DDFC在不同工作温度下的电极性能。低温时,阳极扩散层中亲水区面积较大的MEA性能较优;而高温时,阳极扩散层中憎水区面积较大的MEA可以获得更好的电极性能。设计、研究了一种小型被动式DDFC电堆。各单体电池性能均一性较好,电堆的开路电压在4 V左右,最大功率为300 mW。6单体电池可以按照不同的方式进行电连接,改变的只是电流与电压值,电堆的总输出功率基本不变。电堆在恒、变电流下均可稳定运行。电堆室温21℃启动,在恒电流100 mA运行过程中,温度逐渐上升,大约60 min后温度逐渐稳定在37℃。电堆在恒电流300 mA下运行时,初始电压为1.4 V,经过1100 min放电后电压降为0,电堆的燃料利用率为57 %。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章 绪论  16-35
  1.1 引言  16-17
  1.2 直接二甲醚燃料电池概述  17-22
    1.2.1 二甲醚的物理化学性质  17-18
    1.2.2 二甲醚在燃料电池中的应用  18
    1.2.3 直接二甲醚燃料电池的工作原理  18-19
    1.2.4 直接二甲醚燃料电池的热力学基础  19-20
    1.2.5 直接二甲醚燃料电池的优势与不足  20-21
    1.2.6 直接二甲醚燃料电池的应用前景  21-22
  1.3 直接二甲醚燃料电池的研究进展  22-27
    1.3.1 二甲醚电氧化机理的研究  22-24
    1.3.2 二甲醚电催化剂的研究  24-25
    1.3.3 直接二甲醚燃料电池性能的研究  25-27
  1.4 膜电极的组成及研究进展  27-31
    1.4.1 电催化剂  28-29
    1.4.2 质子交换膜  29-30
    1.4.3 催化层  30
    1.4.4 扩散层  30-31
  1.5 电堆的研究进展  31-34
  1.6 本论文的主要研究内容及课题来源  34-35
第2章 实验材料与研究方法  35-46
  2.1 实验材料及仪器设备  35-37
  2.2 催化剂的制备  37-38
    2.2.1 水蒸汽处理碳粉  37
    2.2.2 碳纳米管的功能化处理  37
    2.2.3 催化剂的制备  37-38
  2.3 电极的制备  38-39
    2.3.1 薄膜电极的制备  38
    2.3.2 膜电极的制备  38-39
    2.3.3 新型膜电极的制备  39
  2.4 燃料电池测试设备  39-42
    2.4.1 直接二甲醚燃料电池测试系统  39-41
    2.4.2 单体电池  41
    2.4.3 电堆  41-42
  2.5 电化学测试  42-44
    2.5.1 催化剂薄膜电极的测试  42
    2.5.2 极化曲线与功率密度曲线  42-43
    2.5.3 恒电流与阶跃电流测试  43
    2.5.4 电化学阻抗谱测试  43-44
  2.6 物理测试与表征  44-46
    2.6.1 扩散层表面接触角测试  44
    2.6.2 扫描电镜测试  44
    2.6.3 透射电镜测试  44-45
    2.6.4 X 射线衍射分析  45-46
第3章 DDFC 膜电极的研究  46-76
  3.1 阳极催化剂的研究  46-57
    3.1.1 Pt/C 和PtRu/C 阳极催化剂的比较研究  46-51
    3.1.2 Pt/MWNTs 和Pt/Vulcan XC-72 阳极催化剂的比较研究  51-57
  3.2 MEA 阳极的研究  57-68
    3.2.1 阳极催化层的研究  57-62
    3.2.2 阳极扩散层的研究  62-68
  3.3 MEA 阴极的研究  68-71
    3.3.1 阴极催化层的研究  69-70
    3.3.2 阴极扩散层的研究  70-71
  3.4 不同厚度电解质膜的比较研究  71-75
  3.5 本章小结  75-76
第4章 DDFC 性能及其与DMFC 的比较研究  76-101
  4.1 以二甲醚水溶液为燃料的DDFC 性能研究  76-81
    4.1.1 二甲醚水溶液浓度对DDFC 性能的影响  76-78
    4.1.2 电池温度与燃料流量对DDFC 性能的影响  78-81
  4.2 以二甲醚气体为燃料的DDFC 性能的研究  81-84
    4.2.1 二甲醚气体加湿对DDFC 性能的影响  81-82
    4.2.2 电池温度与燃料流量对DDFC 性能的影响  82-84
  4.3 DDFC 阳极不同进料方式的比较研究  84-90
    4.3.1 极化性能比较  84-87
    4.3.2 放电稳定性能比较  87-90
  4.4 DDFC 与DMFC 的比较研究  90-99
    4.4.1 二甲醚与甲醇的渗透性比较  90-92
    4.4.2 二甲醚与甲醇的电氧化行为比较  92-94
    4.4.3 二甲醚与甲醇的电池性能比较  94-99
  4.5 本章小结  99-101
第5章 双传质区膜电极的研究  101-118
  5.1 双传质区膜电极燃料传输原理  101-104
  5.2 双传质区膜电极的性能研究  104-111
    5.2.1 新型膜电极的形貌  104-105
    5.2.2 极化曲线与功率密度曲线  105-107
    5.2.3 燃料传输的动力学特性  107-108
    5.2.4 电化学阻抗谱分析  108-109
    5.2.5 长时间放电性能研究  109-111
  5.3 双传质区膜电极的优化  111-116
    5.3.1 新型膜电极与传统膜电极的性能比较研究  111-114
    5.3.2 亲憎水面积比对燃料传质能力的影响  114-116
  5.4 本章小结  116-118
第6章 被动式DDFC 电堆的研究  118-134
  6.1 DDFC 电堆结构  118-121
  6.2 DDFC 电堆的性能研究  121-133
    6.2.1 电堆的极化性能  121-122
    6.2.2 电堆的电效率研究  122-123
    6.2.3 不同电连接方式的电堆性能  123-126
    6.2.4 电堆恒电流运行性能  126-129
    6.2.5 电堆电流阶跃运行性能  129-130
    6.2.6 电堆启动特性  130-131
    6.2.7 电堆温度特性  131-132
    6.2.8 电堆长时间运行性能  132-133
  6.3 本章小结  133-134
结论  134-136
参考文献  136-154
攻读博士学位期间所发表的论文  154-156
致谢  156-157
个人简历  157

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池 > 离子交换膜燃料电池
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