直接二甲醚燃料电池膜电极与电堆的性能研究

论文摘要

直接二甲醚燃料电池（Direct dimethyl ether fuel cell, DDFC）是以二甲醚（Dimethyl ether, DME）为燃料的直接型燃料电池,最近几年开始受到关注。目前的研究主要集中在DME电氧化机理上,对DDFC膜电极（Membrane electrode assembly, MEA）的研究甚少。MEA是DDFC的核心部件,是化学能直接转化为电能的场所,其性能很大程度上决定了电池的性能。因此制备高性能的MEA,优化MEA的组成与结构就显得非常重要。本论文主要结合DME燃料的特性,针对DDFC的MEA进行研究,提高了电池性能,并设计研发了一种小型被动式DDFC电堆。详细研究了MEA的组成及结构对电极性能的影响。以Pt/C为阳极催化剂的MEA在高电流密度区表现出较好的性能;在低电流密度区,PtRu/C作阳极催化剂的电极性能较优。与Pt/Vulcan XC-72相比,Pt/MWNTs对DME显示出更高的催化活性。MEA阳极催化层中随着催化剂Pt载量的增加,电极性能先增大再有所减小,阳极扩散层中PTFE的最佳含量为20 mass %。MEA阴极催化层中Nafion含量为20 mass %,扩散层中PTFE含量为30 mass %时显示出较好的电极性能。Nafion膜厚度与电池开路电压成正比,采用Nafion112的MEA性能最差,采用Nafion115膜的MEA可以获得最大的电池功率密度（46 mW cm-2）。通过对DDFC性能的研究发现,当1.5 mol L-1DME水溶液以5 mL min-1阳极进料时显示出较好的电池性能,而当DME气体饱和加湿,流速为200 mL min-1时电池性能较好。与DME气体相比,以DME溶液为燃料的DDFC可以获得更好的电池性能和长时间放电稳定性。DDFC与DMFC相比较,DME透过Nafion115膜的渗透系数比甲醇低大约一个数量级,DME在Pt/C玻璃碳电极上的初始氧化电位较甲醇负移50 mV左右。在低电流密度区,DDFC的性能要优于DMFC;在高电流密度区,DMFC则表现出较好的性能。电池在80℃工作时,DDFC的最大功率密度为56 mW cm-2,DMFC的最大功率密度为81 mW cm-2,DDFC的最大功率密度约为DMFC的69 %。针对DME在水中的溶解度随温度升高而下降的特性,研究了一种用于DDFC的MEA新结构,其阳极扩散层在同一平面上分成了亲水与憎水两个区域。电池在50℃运行时,新型MEA表现出较优的电极性能,与亲水和憎水MEA相比较,新型MEA具有较小的传质阻抗和长时间运行性能衰减率。通过改变新型MEA阳极扩散层中亲、憎水区域的面积比可调节DDFC在不同工作温度下的电极性能。低温时,阳极扩散层中亲水区面积较大的MEA性能较优;而高温时,阳极扩散层中憎水区面积较大的MEA可以获得更好的电极性能。设计、研究了一种小型被动式DDFC电堆。各单体电池性能均一性较好,电堆的开路电压在4 V左右,最大功率为300 mW。6单体电池可以按照不同的方式进行电连接,改变的只是电流与电压值,电堆的总输出功率基本不变。电堆在恒、变电流下均可稳定运行。电堆室温21℃启动,在恒电流100 mA运行过程中,温度逐渐上升,大约60 min后温度逐渐稳定在37℃。电堆在恒电流300 mA下运行时,初始电压为1.4 V,经过1100 min放电后电压降为0,电堆的燃料利用率为57 %。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 直接二甲醚燃料电池概述
• 1.2.1 二甲醚的物理化学性质
• 1.2.2 二甲醚在燃料电池中的应用
• 1.2.3 直接二甲醚燃料电池的工作原理
• 1.2.4 直接二甲醚燃料电池的热力学基础
• 1.2.5 直接二甲醚燃料电池的优势与不足
• 1.2.6 直接二甲醚燃料电池的应用前景
• 1.3 直接二甲醚燃料电池的研究进展
• 1.3.1 二甲醚电氧化机理的研究
• 1.3.2 二甲醚电催化剂的研究
• 1.3.3 直接二甲醚燃料电池性能的研究
• 1.4 膜电极的组成及研究进展
• 1.4.1 电催化剂
• 1.4.2 质子交换膜
• 1.4.3 催化层
• 1.4.4 扩散层
• 1.5 电堆的研究进展
• 1.6 本论文的主要研究内容及课题来源
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验材料及仪器设备
• 2.2 催化剂的制备
• 2.2.1 水蒸汽处理碳粉
• 2.2.2 碳纳米管的功能化处理
• 2.2.3 催化剂的制备
• 2.3 电极的制备
• 2.3.1 薄膜电极的制备
• 2.3.2 膜电极的制备
• 2.3.3 新型膜电极的制备
• 2.4 燃料电池测试设备
• 2.4.1 直接二甲醚燃料电池测试系统
• 2.4.2 单体电池
• 2.4.3 电堆
• 2.5 电化学测试
• 2.5.1 催化剂薄膜电极的测试
• 2.5.2 极化曲线与功率密度曲线
• 2.5.3 恒电流与阶跃电流测试
• 2.5.4 电化学阻抗谱测试
• 2.6 物理测试与表征
• 2.6.1 扩散层表面接触角测试
• 2.6.2 扫描电镜测试
• 2.6.3 透射电镜测试
• 2.6.4 X 射线衍射分析
• 第3章 DDFC 膜电极的研究
• 3.1 阳极催化剂的研究
• 3.1.1 Pt/C 和PtRu/C 阳极催化剂的比较研究
• 3.1.2 Pt/MWNTs 和Pt/Vulcan XC-72 阳极催化剂的比较研究
• 3.2 MEA 阳极的研究
• 3.2.1 阳极催化层的研究
• 3.2.2 阳极扩散层的研究
• 3.3 MEA 阴极的研究
• 3.3.1 阴极催化层的研究
• 3.3.2 阴极扩散层的研究
• 3.4 不同厚度电解质膜的比较研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 DDFC 性能及其与DMFC 的比较研究
• 4.1 以二甲醚水溶液为燃料的DDFC 性能研究
• 4.1.1 二甲醚水溶液浓度对DDFC 性能的影响
• 4.1.2 电池温度与燃料流量对DDFC 性能的影响
• 4.2 以二甲醚气体为燃料的DDFC 性能的研究
• 4.2.1 二甲醚气体加湿对DDFC 性能的影响
• 4.2.2 电池温度与燃料流量对DDFC 性能的影响
• 4.3 DDFC 阳极不同进料方式的比较研究
• 4.3.1 极化性能比较
• 4.3.2 放电稳定性能比较
• 4.4 DDFC 与DMFC 的比较研究
• 4.4.1 二甲醚与甲醇的渗透性比较
• 4.4.2 二甲醚与甲醇的电氧化行为比较
• 4.4.3 二甲醚与甲醇的电池性能比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 双传质区膜电极的研究
• 5.1 双传质区膜电极燃料传输原理
• 5.2 双传质区膜电极的性能研究
• 5.2.1 新型膜电极的形貌
• 5.2.2 极化曲线与功率密度曲线
• 5.2.3 燃料传输的动力学特性
• 5.2.4 电化学阻抗谱分析
• 5.2.5 长时间放电性能研究
• 5.3 双传质区膜电极的优化
• 5.3.1 新型膜电极与传统膜电极的性能比较研究
• 5.3.2 亲憎水面积比对燃料传质能力的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 被动式DDFC 电堆的研究
• 6.1 DDFC 电堆结构
• 6.2 DDFC 电堆的性能研究
• 6.2.1 电堆的极化性能
• 6.2.2 电堆的电效率研究
• 6.2.3 不同电连接方式的电堆性能
• 6.2.4 电堆恒电流运行性能
• 6.2.5 电堆电流阶跃运行性能
• 6.2.6 电堆启动特性
• 6.2.7 电堆温度特性
• 6.2.8 电堆长时间运行性能
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 个人简历