一体化甲醇燃料电池膜电极的电雾化沉积研究

摘要

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)具有能量转换率高、结构简单便携、低排放、低噪音以及低温工作等优势，在手机、笔记本电脑等小型电子设备方面具有广阔应用前景。膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA）作为燃料电池的核心部件，对电池性能至关重要。本文针对传统直接甲醇燃料电池膜电极结构单一、容易分层、结合力差等问题，利用电雾化沉积技术，对膜电极的结构进行改善，制作了材料和结构变化的一体化膜电极，并对膜电极进行了电化学表征，研究了不同工作条件下膜电极结构特征对燃料电池性能的影响。主要研究内容包括：
　　⑴利用电雾化技术沉积Nafion溶液，形成了长锥柱雾化模式，其锥比稳定锥柱模式长，射流可延长至10mm以上，且分散范围很小。随着电压的升高，锥的长度减小，而当液体流量增大时，锥的长度增大，但沉积高度对锥的长度影响不大。研究了Nafion溶液及雾化参数对Nafion膜的影响，通过对Nafion膜结构和电导率分析，利用3.33wt％Nafion溶液在工作电压为3.5kV、流量为2.5×10-10m3s-1、沉积高度为15mm的条件下，获得了表面平整均匀、吸水率好、电导率高的Nafion膜。
　　⑵利用电雾化层层沉积方法分别沉积Pt/C悬浮液、Nafion溶液和Pt-Ru/C悬浮液，制作了3层一体化膜电极，沉积成型的膜电极各功能层紧密结合成为一个整体。其膜电极阴阳极催化剂载量分别为0.4mg·cm-2和1mg·cm-2，厚度均为20μm，质子交换膜厚度为130μm。将此膜电极组装成自呼吸式DMFC并进行性能表征。随着测试温度的升高，电池的功率密度逐步提高。通过测试电池的交流阻抗频谱发现升高温度可以加速电池内部电化学反应速率，但同时阴极也生成并汇聚了较多的水，阻碍气体的传输，降低了电池性能随温度提升的幅度。此电池在70℃时获得电池最高功率密度为4mW·cm-2。最后对燃料电池进行疲劳测试，发现膜电极结构在经过85小时的持续工作后，阴极催化层与扩散层、质子交换膜仍完好结合。
　　⑶制作了材料和结构变化的7层一体化膜电极，此膜电极的催化-扩散层结构从致密-疏松-致密变化，催化剂含量由扩散层至催化层逐步地增加。此膜电极的阴阳极催化剂载量分别为0.4mg·cm-2和1mg·cm-2。将其组装成DMFC，测试结果表明，随着温度的升高，燃料电池的性能也随之升高;经过48小时的疲劳测试发现，燃料电池在3小时后到达正常工作状态，可稳定工作42小时，比3层膜电极具有显著的提高，而且疲劳测试后膜电极催化层与扩散层、质子交换膜仍完好结合，分层现象得到了明显的改善。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文选题背景

1．1．1 直接甲醇燃料电池

1．1．2 膜电极的制备

1．1．3 质子交换膜制备

1．2 电雾化沉积技术

1．2．1 电雾化沉积基本原理

1．2．2 电雾化沉积的特点及应用领域

1．3 本论文主要研究工作

2 实验设备介绍

2．1 电雾化沉积平台

2．1．1 电雾化设备

2．1．2 真空吸附装置

2．2 制备悬浮液／溶液用的搅拌、超声设备

2．3 燃料电池组装及测试

2．4 本章小结

3 质子交换膜的电雾化沉积成型

3．1 Nafion溶液的电雾化分析

3．1．1 Nafion溶液雾化模式分析

3．1．2 电雾化参数对Nafion溶液雾化模式影响

3．2 Nafion膜的电雾化沉积及性能分析

3．2．1 Nafion膜的电雾化沉积

3．2．2 电雾化参数对Nafion沉积膜的影响

3．2．3 电雾化参数和溶液成分对Nafion膜电导率的影响

3．3 本章小结

4 3层一体化膜电极

4．1 3层一体化膜电极用悬浮液／溶液的制备

4．2 质子交换膜-催化层过渡沉积分析

4．2．1 流量对质子交换膜-催化层过渡沉积的影响

4．2．2 温度对质子交换膜-催化层过渡沉积的影响

4．2．3 催化层结构对质子交换膜-催化层过渡沉积的影响

4．3 3层一体化膜电极的电雾化沉积及性能测试

4．3．1 3层一体化膜电极的电雾化沉积

4．3．2 3层一体化膜电极性能测试与分析

4．4 本章小结

5 材料和结构变化的7层一体化膜电极

5．1 7层一体化膜电极用悬浮液／溶液的制备

5．2 材料和结构变化的催化-扩散层的电雾化沉积

5．2．1 电雾化参数对催化层结构的影响

5．2．2 材料和结构变化的阴极催化-扩散层的电雾化沉积

5．2．3 材料和结构变化的阳极催化-扩散层的电雾化沉积

5．3 材料和结构变化的7层一体化膜电极的电雾化沉积及性能测试

5．3．1 7层一体化膜电极的电雾化沉积

5．3．2 7层一体化膜电极性能测试与分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢