直接甲醇燃料电池膜电极制备及阴极结构研究

论文摘要

膜电极（MEA）是直接甲醇燃料电池（DMFC）的核心部件。目前，MEA的性能是阻碍DMFC商业化的瓶颈之一，因此制备高性能MEA对DMFC的研究开发具有重要意义。 本论文首先建立了一种DMFC电极制备方法-改进的转压法。比较了转压法和刷涂法制备的电极形貌、电催化剂粒径、电化学活性表面积、MEA内阻及电池性能；研究了转压法制备过程中Nafion聚合物向阴极催化层表面迁移的现象，并提出了可能的机理；考察了阴极催化层表面Nafion聚合物含量对电池性能的影响。 通过双催化层结构和碳粉引入分别优化了阴极的孔结构和憎水性。采用非担载型Pt黑电催化剂和担载型20wt．％（或40wt．％）Pt／C电催化剂制备了双催化层阴极，利用两种电催化剂本体性质的不同，形成了双催化层阴极内憎水性、孔结构和催化剂浓度的梯度分布，有利于氧气扩散和水的排出，在90℃，2atm氧气和空气条件下，最高功率密度分别达到254.8mW／cm2和176mW／cm2。研究了阴极催化层中加入碳粉对电池性能的影响，结果表明加入Ketjen BlackEC-300J碳粉的阴极性能最优，在电池温度为60℃，空气自呼吸条件下，Pt黑和Pt黑+10wt．％KB阴极的电池最高功率密度分别为19.0和48.9mW／cm2。 定量分析了甲醇渗透和水的扩散对空气自呼吸式DMFC电池性能的影响。研究了影响空气自呼吸式DMFC寿命的主要因素，并探索了有效的解决途径。 初步探索了Black Pearls 2000碳粉为载体的阴极Pt／C电催化剂在DMFC中的应用。结果表明，在不需要任何憎水剂和后处理的情况下，36wt．％Pt／BP2000电催化剂提高了在高电流密度下的DMFC性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 DMFC的工作原理
• 1.3 膜电极结构及其制备技术
• 1.3.1 基于浆液过程的电极制备方法
• 1.3.2 原位电化学或化学沉积方法
• 1.3.3 真空溅射法和滚压法
• 1.4 MEA的性能和优化
• 1.4.1 电催化剂
• 1.4.2 电解质膜
• 1.4.3 MEA结构优化
• 1.4.3.1 阳极催化层
• 1.4.3.2 阴极催化层
• 1.4.3.3 扩散层
• 1.5 MEA表征技术
• 1.5.1 电化学方法
• 1.5.2 现代谱学技术
• 1.5.3 其他物理表征技术
• 1.6 本论文的工作思路和研究内容
• 参考文献
• 第二章 膜电极（MEA）的制备与表征
• 2.1 前言
• 2.2 MEA制备
• 2.2.1 Nafion膜的预处理
• 2.2.2 扩散层制备
• 2.2.3 催化层和MEA制备
• 2.3 MEA表征
• 2.3.1 MEA性能评价
• 2.3.2 电化学活性表面积测试
• 2.3.3 交流阻抗测试
• 2.3.4 电极形貌观察和元素分析
• 2.3.5 X射线衍射
• 2.3.6 接触角测试
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 制备工艺对电池性能的影响
• 2.4.2 阴极催化层中Nafion聚合物分布对电池性能的影响
• 2.4.2.1 催化剂类型对Nafion聚合物分布的影响
• 2.4.2.2 转压基底对Nafion聚合物分布的影响
• 2.4.2.3 Nafion聚合物分布对电池性能的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 MEA阴极孔结构与憎水性的研究
• 3.1 前言
• 3.2 MEA制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 双催化层阴极结构对电池性能的影响
• 3.3.2 双催化层结构优化
• 3.3.2.1 催化剂载量的影响
• 3.3.2.2 Nafion聚合物含量的影响
• 3.3.3 操作条件对双催化层阴极电池性能的影响
• 3.3.3.1 电池温度的影响
• 3.3.3.2 甲醇浓度的影响
• 3.3.3.3 气体压力的影响
• 3.3.4 碳粉引入对阴极催化层电池性能的影响
• 3.3.5 碳粉引入的阴极催化层结构优化
• 3.3.5.1 KB EC-300J碳粉含量的影响
• 3.3.5.2 催化剂载量的影响
• 3.3.5.3 Nafion聚合物含量的影响
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 空气自呼吸式DMFC的研究
• 4.1 前言
• 4.2 MEA表征
• 4.2.1 单电池性能测试
• 4.2.2 扩散层空气阻力测试
• 4.2.3 阳极极化和极限电流测试
• 4.2.4 阴极甲醇渗透率测试
• 4.2.5 电化学活性表面积测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 甲醇溶液流速对空气自呼吸式DMFC性能的影响
• 4.3.2 甲醇浓度对空气自呼吸式DMFC性能的影响
• 4.3.3 电池温度对空气自呼吸式DMFC性能的影响
• 4.3.4 空气自呼吸式DMFC寿命的研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 DMFC阴极碳载体的初步研究
• 5.1 前言
• 5.2 Pt/C电催化剂的制备
• 5.3 MEA制备
• 5.4 碳载体、电催化剂及MEA表征
• 5.4.1 物理吸附测试
• 5.4.2 FT-IR表征
• 5.4.3 TEM及SEM表征
• 5.4.4 MEA组装及测试
• 5.4.5 电化学活性表面积测试
• 5.5 结果与讨论
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 作者简介及发表文章目录
• 致谢