小型直接甲醇燃料电池膜电极组件的研究开发

摘要

随着自然资源的日益缺乏和人们环保意识的提高，燃料电池作为一种绿色能源受到越来越多的青睐，它具有高能量比、模块化、方便持久和环境友好等优点，可同时解决节能和环保两大难题。直接以甲醇作为燃料的质子交换膜燃料电池称为直接甲醇燃料电池(DMFC)，它具有结构简单、燃料便于携带与储存、理论比能量高等优点，在小型可移动电源和微型电源方面具有广阔应用前景，被认为是锂离子电池的理想代替品。 膜电极三合一组件(MEA)由质子交换膜和催化电极组成，是DMFC发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了DMFC的基本单元——单电池。膜电极的结构和制备技术对DMFC的功率、效率、寿命和成本有着至关重要的影响。因此，开展DMFC膜电极的研究，对提高DMFC性能和稳定性具有重要意义。本论文旨在通过理论分析和实验，研究膜电极的制作方法，组装完整的单电池体，确定电池的最佳工作条件，为研制高效、低成本的直接甲醇燃料电池的提供科学依据和技术支撑。 首先，使用购买的Pt-Ru/C和Pt/C催化剂粉末和碳纸材料分别制作了电池的阳极和阴极；第二，完成了膜电极三合一组件的制备；第三，实现电池的密封和电流的引出，组装出了DMFC单电池；第四，通过控制和改变工作条件得到了电池在不同状态下的性能，分析了各因素对电池性能的影响，初步确定了电池的最佳工作条件，为进一步提高电池的性能奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2燃料电池简介

1.2.1燃料电池的历史和发展现状

1.2.2燃料电池的工作方式与特点

1.2.3燃料电池的类型

1.3质子交换膜燃料电池

1.4直接甲醇燃料电池(DMFC)

1.4.1 DMFC的发电原理

1.4.2 DMFC的应用

1.4.3 DMFC的技术难关与研究进展

1.4本文的选题与主要工作内容

2膜电极三合一组件(MEA)

2.1 MEA的结构与组成

2.1.1质子交换膜

2.1.2电极

2.1.3电催化剂

2.2 MEA制备技术

2.2.1机械压制法

2.2.2电化学沉积法

2.2.3化学沉积法

2.2.4真空溅射法

2.3 MEA的结构优化

2.4本章小结

3膜电极的制备

3.1实验的材料与仪器

3.1.1实验材料

3.1.2实验仪器

3.2催化电极的制备

3.2.1DMFC电极的工作环境与制备要求

3.2.2扩散层材料的处理

3.2.3催化层的制备

3.3膜电极的制备

3.3.1Nafion膜的预处理

3.3.2膜电极的制备

3.4本章小结

4电池外围组件的制备与单电池的组装

4.1实验材料与仪器

4.2.双极板的设计

4.2.1双极板与流场

4.2.2双极板材料的选择与流场形状的设计

4.3电流的引出与膜电极的密封

4.4反应物的输送

4.5本章小结

5电池性能测试

5.1 DMFC在标准状态下的可逆电动势

5.2 DMFC极化特性分析

5.2.1活化极化

5.2.2欧姆极化

5.2.3传质极化

5.2.4甲醇渗透

5.3影响DMFC性能的因素分析

5.3.1热压条件对DMFC性能的影响

5.3.2工作条件对DMFC性能的影响

5.4本章小结

6结论

6.1结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附 录攻读硕士研究生期间发表的学术论文