被动式微型直接甲醇燃料电池MEA阴极的研究与制备

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)有结构相对简单、燃料便于携带储存以及高能量密度等优势，应用前景非常广阔。直接甲醇燃料电池的关键部件是膜电极(membraneelectrodeassembly,MEA)，因此研究制备高性能的膜电极对直接甲醇燃料电池的开发具有重要意义。本论文重点研究了膜电极中的微孔层和催化层，以提高被动式直接甲醇燃料电池的性能。
　　本文首先介绍了被动式微型直接甲醇燃料电池的工作原理与结构特性，并通过分析电池内部结构功能，分别对阴极微孔层、催化层进行了结构优化,并通过测试证实了结构优化后的直接甲醇燃料电池，具有更好的性能。
　　在阴极微孔层的优化方面，制备了不同碳载量的阴极微孔层，研究比较其电池性能，并选出最佳的碳载量作为固定参量。在此基础上，在阴极微孔层中加入不同百分比含量的聚四氟乙烯，以改变阴极微孔层的憎水性，得出电池的最大功率密度能达到27mW/cm2。然后，在阴极微孔层中构建出不同的PTFE梯度结构，研究比较其对电池性能的影响，得出电池的最大功率密度可达到31mW/cm2。最后，在阴极微孔层中添加碳酸铵作为造孔剂并改变其百分比含量，研究其对电池性能的影响，得出电池的最大功率密度可达到28mW/cm2。
　　在阴极催化层的优化方面，通过在阴极催化层中加入憎水剂PTFE来制备憎水型催化层，在此基础上用造孔剂碳酸铵来优化阴极孔隙率，然后在催化层表面制作吸水层，以改善阴极水管理和氧气传质，提高电池性能。调节PTFE和造孔剂碳酸铵在催化层干燥后质量中的比重，以形成多层催化层阴极的憎水性和空隙率的梯度分布，有利于氧气传质和水的排出。采用间断疏水梯度分布多层阴极催化层的电池达到的最大功率密度为36mW/cm2。而在相同工作条件下，传统被动式DMFC的最大功率密度只能达到27mW/cm2。同时采用憎水梯度和孔隙率梯度分布的电池的最大功率密度可达37mW/cm2。在此基础上再加入吸水层，电池的最大功率密度可达40mW/cm2。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 微型直接甲醇燃料电池概述

1．2．1 被动式直接甲醇燃料电池的概述

1．2．2 国内外研究现状

1．3 研究的目的与意义

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 DMFC的原理与膜电极的结构设计

2．1 直接甲醇燃料电池的工作原理

2．2 直接甲醇燃料电池膜电极的结构

2．2．1 质子交换膜

2．2．2 催化层

2．2．3 扩散层

2．2．4 微孔层

2．3 DMFC的质量传输原理

2．3．1 甲醇渗透和水渗透

2．3．2 膜电极阴极的水传质和氧气传质

2．4 憎水原理和造孔原理

2．5 膜电极阴极侧的梯度结构设计

2．6 本章小结

第3章 DMFC阴极微孔层的制备和性能测试分析

3．1 阴极微孔层的制备

3．1．1 实验材料及设备

3．1．2 膜电极的制备

3．1．3 膜电极的热压及电池的组装

3．2 测试结果分析

3．2．1 微孔层接触角的测量

3．2．2 DMFC的活化

3．2．3 微孔层碳载量对电池性能的影响

3．2．4 甲醇浓度对电池性能影响的测试分析

3．2．5 微孔层PTFE载量不同的电池性能测试分析

3．2．6 微孔层具有憎水梯度的电池性能测试分析

3．2．7 造孔剂对微孔层性能的影响

3．3 本章小结

第4章 憎水型催化层的研究制备及测试分析

4．1 憎水型阴极催化层的制备

4．1．1 实验材料与设备

4．1．2 阴极催化层的制备

4．2 测试结果分析

4．2．1 具有吸水层的电池性能测试分析

4．2．2 憎水型阴极催化层性能测试分析

4．3 憎水型阴极催化层孔隙率优化

4．3．1 含造孔剂的憎水型催化层的结构表征

4．3．2 含造孔剂的憎水型催化层的电池性能测试分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢