液体进料直接甲醇燃料电池膜电极的研究

摘要

直接甲醇聚合物膜燃料电池(简称DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料储运及补充方便等特点被认为是一种适应未来能源和环境要求的理想电源.该研究旨在通过实验和数学模型,研究膜电极的优化方法,解释甲醇穿透对电池性能的影响.该研究采用电流-电压极化曲线和交流阻抗谱方法,对膜电极的热压条件、扩散层和催化剂层的组成与结构、电极活化过程等因素对液体进料DMFC性能的影响进行了全面的研究.该工作首次发现膜电极的活化过程虽然不会改变DMFC的最佳放电性能,但可以大大缩短电池到达最佳放电状态的时间.研究表明,膜电极性能主要受质子交换膜的电导率、阳极催化剂用量、阳极CO<,2>气体和阴极水的传递、催化剂层的活性比表面积和质子电导率等因素控制.

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前言

第一章综述

1.1燃料电池简介

1.1.1燃料电池的概念、发展史和应用前景

1.1.2燃料电池的分类

1.2聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）

1.3直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell ,DMFC)

1.4 DMFC的极化特性

1.5DMFC的研究进展

1.5.1 DMFC的性能研究

1.5.2工作条件对液体进料DMFC性能的影响

1.5.3质子交换膜和甲醇穿透问题

1.5.4 DMFC的电化学反应机理与电催化剂

1.5.5膜电极

1.5.6 DMFC的模型研究

1.6本文的选题和主要工作内容

第二章液体进料DMFC膜电极的制备、活化与性能

2.1实验材料、试剂与仪器

2.1.1实验材料

2.1.2主要实验仪器

2.2实验方法与内容

2.2.1 Nafion膜的预处理

2.2.2 Nafion膜的热压

2.2.膜的电导率的测量

2.2.4Nafion115膜甲醇透过系数的测量

2.2.5膜电极的制备

2.2.6 DMFC的放电性能测试

2.2.7 DMFC的电化学性能测试

2.3热压条件对膜电极性能的影响

2.3.1热压温度

2.3.2热压压力

2.3.3热压时间

2.4膜电极的活化

2.5工作条件对DMFC的性能的影响

2.5.1甲醇进料浓度

2.5.2电池工作温度

2.5.3氧气压力

2.6本章小结

第三章液体进料DMFC扩散层的研究

3.1实验

3.1.1材料、试剂与仪器

3.1.2扩散层材料的疏水处理

3.1.3膜电极的制备

3.1.4 DMFC膜电极的放电性能测试

3.1.5扫描电镜(SEM)分析

3.2扩散层材料的比较

3.3碳纸的厚度对DMFC性能的影响

3.4碳纸疏水处理对DMFC性能的影响

3.5扩散层结构对膜电极性能的影响

3.5.1阳极扩散层结构

3.5.2阴极扩散层结构

3.6本章小结

第四章液体进料DMFC催化活性层的结构优化

4.1实验

4.1.1试剂、材料及仪器

4.1.2膜电极的制备

4.1.3 电池放电性能和电化学性能测试

4.2催化剂载量对膜电极性能的影响

4.3催化剂层 Nafion含量的影响

4.4催化活性层中PTFE添加剂的影响

4.5增大催化剂层孔隙率对电池放电性能的影响

4.5.1造孔剂的种类

4.5.2阳极造孔剂的用量

4.5.3阴极催化剂层的造孔

4.6本章小结

第五章液体进料DMFC的理论模型

5.1理论模型的建立

5.1.1 DMFC的可逆电压

5.1.2 DMFC的欧姆电压损失

5.1.3 DMFC阳极模型

5.1.4 DMFC阴极模型

5.1.5阴极甲醇穿透过电位

5.1.6模型参数

5.1.7边界条件

5.1.8求解方法

5.2操作因素对电池性能的影响

5.3 DMFC阳极催化剂层的甲醇浓度、质子电流和过电位

5.4 DMFC阴极催化剂层的氧气浓度、甲醇浓度、质子电流和过电位

5.5 DMFC的甲醇穿透过电位

5.5.1电池工作条件对穿透过电位的影响

5.5.2质子交换膜阻醇性能的影响

5.6质子交换膜甲醇透过率和质子电导率对电池性能的影响

5.7本章小结

第六章结论

参考文献

参加研究工作和发表论文情况

附录多电子转移步骤的动力学方程

致谢