空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池关键部件研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有结构简单、能量密度高、燃料便于携带与储存等优点，在小型可移动电源和微型电源方面具有广阔应用前景。DMFC的阴极水管理能力和阳极纯甲醇燃料的使用对提高其性能和稳定性至关重要。 本文首先采用不同碳粉作为DMFC膜电极集合体(MEA)阴极微孔层材料，研究和比较了不同MEA的性能及稳定性，选出了较适合作阴极微孔层的碳材料。在此基础上综合考虑不同碳粉的孔结构，以不同碳粉按一定比例混合作为阴极微孔层，改善了阴极微孔层的孔结构，降低了传质阻抗，增强了阴极微孔层的排水能力，显著提高了DMFC的性能和稳定性。实验结果表明，阴极微孔扩散层中Black Pearl 2000(BP)的添加对电池性能有较大的影响。当阴极微孔扩散层中的Ketjen Black(KB)和BP碳材料以9:1比例混合时，在25℃、空气“自呼吸”条件下直接甲醇燃料电池的最大功率密度可达到20.8 mW/cm2，而且电池还具有较好的稳定性。高的功率密度和好的稳定性可归属于少量BP的添加改善了阴极微孔扩散层的孔结构。另外，在DMFC的微孔层和催化层中加入造孔剂改善了水管理层的孔结构，从而降低了气体反应物的扩散传质阻力。 在通过调控微孔层解决阴极水管理问题的基础上，本文还针对基于MEMS技术制作的微型燃料电池阴极的硅片做了疏水处理，使从MEA内部排出的水很难在电池阴极的外围聚集，从而快速挥发到空气中，降低了阴极水淹的可能性。 被动式DMFC的阳极侧在电池运行过程中要消耗甲醇和水，造成燃料腔内甲醇浓度的变化，从而影响输出的稳定性。为解决阳极稳定的甲醇供给，本文研制了一种憎水、透醇和透气的多功能复合渗透膜，将其应用于纯甲醇储罐和供给阳极的甲醇溶液储罐之间，使纯甲醇按照一定的速率渗透到甲醇溶液储罐中，为阳极反应提供稳定的燃料供给，初步解决了微型燃料电池系统纯甲醇的添加和使用技术，为微型直接甲醇燃料电池能量密度的提高打下了扎实的基础。

目录

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摘要

第一章绪论

1.1前言

1.2燃料电池简介

1.2.1燃料电池的发展

1.2.2燃料电池的特点

1.2.3燃料电池分类

1.2.4燃料电池的工作原理

1.3 空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池(DMFC)

1.3.1 DMFC简介

1.3.2 DMFC工作原理

1.3.3 DMFC产业化发展中存在的主要问题

1.4 MEA的制备方法

1.4.1 GDE的制备方法

1.4.2 CCM的制备方法

1.5 DMFC阴极水管理的研究

1.5.1 扩散层的作用

1.5.2调控碳材料优化微孔层

1.5.3加入造孔剂对微孔层的优化

1.6被动式空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池(DMFC)

1.6.1 Passive DMFC的燃料补给

1.6.2 Passive DMFC的研究进展

1.6.3 Passive DMFC研究中存在问题

1.7本论文的研究思路

1.7.1本论文的研究目标

1.7.2本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 空气“自呼吸”式DMFC阴极扩散层的优化

2.1 引言

2.2膜电极集合体的制备

2.2.1 Nafion膜的预处理

2.2.2扩散层的制备

2.2.3催化层的制备

2.2.4膜电极的热压

2.2.5MEA的活化

2.3扩散层材料性质表征

2.3.1扩散层材料孔分布的测定

2.3.2不同造孔剂的性质表征

2.4阴极微孔层材料对电池性能及稳定性的影响

2.4.1不同碳粉作微孔层对电池性能的影响

2.4.2IR校正后的不同比例混合碳粉作微孔层的电池性能

2.4.3单电池阳极极化的影响

2.4.4不同碳粉作微孔层对电池稳定性的影响

2.4.5交流阻抗测试

2.5阴极微孔层结构对电池性能及稳定性的影响

2.5.1加入造孔剂的电池性能评价

2.5.2加入造孔剂的电池稳定性评价

2.6小结

参考文献

第三章 基于MEMS技术的空气“自呼吸”式DMFC的水管理研究

3.1引言

3.2 MEMS单电池的制备

3.2.1 MEMS硅片制备

3.2.2硅片的疏水处理

3.2.3 MEA 的制备

3.2.4 μDMFC单电池的组装

3.3 空气“自呼吸”式MEMS单电池性能和稳定性的评价

3.4小结

参考文献

第四章被动式DMFC的纯甲醇进料研究

4.1引言

4.2憎水、透醇渗透膜的制备与研究

4.2.1渗透膜的制备

4.2.2不同条件制备的渗透膜对甲醇渗透的影响

4.2.3通过渗透膜二氧化碳气体扩散性测试

4.3多功能型渗透膜应用于被动式DMFC

4.3.1渗透膜与被动式DMFC的组装

4.3.2渗透膜应用到模拟池中燃料供应的稳定性

4.4渗透膜应用于电池堆

4.4.1电池堆结构设计

4.4.2电池堆应用于小风扇

4.5小结

参考文献

第五章结 论

承担课题来源及论文情况

致 谢