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直接甲醇燃料电池膜电极制备及阴极结构研究

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/cm~2和176mW/cm~2。研究了  (本文共175页) 本文目录 | 阅读全文>>

中国科学院研究生院(大连化学物理研究所)
中国科学院研究生院(大连化学物理研究所)

直接甲醇燃料电池阴极结构研究

直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell, DMFC)的水管理能力对提高其性能和稳定性至关重要。由于阴极扩散层对DMFC水管理能力的重要影响,这方面研究得到了越来越多的重视。本论文首先采用正交设计法对低计量比空气操作条件下的扩散层进行了优化实验,考察了膜电极(membrane electrode assembly, MEA)中催化层和扩散层之间的热压条件(压力,温度和时间)对DMFC性能和稳定性的影响。结果表明:通过转压法制备CCM(catalyst coated membrane)和MEA制备工艺的优化,改善了阴极扩散层的孔径结构,形成了有利于水从阴极到阳极传输的返水结构,降低了传质阻抗,增强了阴极扩散层的排水能力,显著提高了DMFC的性能和稳定性。建立了一套简单可行的扩散层表征装置,可方便测试阴极扩散层的气体渗透系数测量、透水压以及阴极排水量,以电池性能作为最终评价手段,对扩散层的传质排水能力进行...  (本文共101页) 本文目录 | 阅读全文>>

哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学

直接甲醇燃料电池膜电极的制备及电化学性能研究

膜电极(MEA)是直接甲醇燃料电池(DMFC)的核心部件, MEA的性能较大程度地决定了DMFC的电池性能,因此制备高性能的MEA就显得非常重要。本论文针对主动式和自呼吸式DMFC的MEA进行了研究,包括MEA的制备方法和MEA催化层与扩散层组成与结构的优化,同时分析了MEA热压工艺的影响机制以及MEA的活化机制,并考察了主动式DMFC的工作条件。系统研究了MEA热压工艺(热压温度、热压压力和热压时间)对电极结构与性能的影响,并利用电化学阻抗谱(EIS)分析了MEA热压工艺的影响机制。研究表明采用135℃热压温度,80 kg·cm-2热压压力,热压时间为90 s制备的MEA性能较好,在电池温度为80℃时,最大功率密度可达到46.0mW·cm-2,此MEA具有较小的欧姆电阻、电化学反应电阻和传质阻抗。比较了不同的MEA催化层的制备工艺,SEM(Scanning electronmicroscopy)和AFM(Atomicforce...  (本文共184页) 本文目录 | 阅读全文>>

《电源技术》2006年11期
电源技术

直接甲醇燃料电池双催化层阴极结构和性能

直接甲醇燃料电池(D M FC)是将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转化为电能的一种发电装置,具有理论能量密度高、结构简单以及环境友好等优点,在电子设备及便携式电源等方面具有广阔的应用前景[1,2]。膜电极(M EA)是D M FC的核心部件,其制备工艺和结构直接影响电池性能。D M FC工作时,阳极大量的水通过扩散和电渗透作用到达阴极,而且氧气发生电化学还原反应生成水,滞留在阴极的水如不及时排出将造成阴极“水淹”,影响氧气向阴极催化剂活性位的扩散,降低电池性能[3]。另一方面,空气中的N2滞留在电极微孔中,阻碍了氧气的扩散,增加了传质极化[4]。研究者已就如何提高空气阴极性能进行了大量的研究工作,通过在阴极催化层中加入聚四氟乙烯(PTFE)浸渍过的碳粉或者造孔剂增加电极的疏水性和气体通道,在150~180℃下对催化层中的N afion聚合物进行热处理,使部分磺酸基团降解以提高其疏水性,来提高其排水能力,降低了空气...  (本文共4页) 阅读全文>>

《电源技术》2005年04期
电源技术

直接甲醇燃料电池高性能双催化层阳极的研究

直接甲醇燃料电池(D M FC)是直接将甲醇和氧气中的化学能转化为电能的一种装置,不需要复杂的甲醇重整制氢过程,具有结构紧凑,质量轻,燃料便于携带与储存,理论比能量高等优点,是潜在的可移动电源和便携式电源,应用前景十分广阔[1~3]。然而,D M FC的实用化还面临两个主要技术问题[4~6]:第一,甲醇电氧化速率慢。由于甲醇氧化是一种自中毒过程,氧化过电位高,使得实际输出电压较理论电势低很多。提高电池的操作温度固然可以提高甲醇氧化速度,但温度上限受制于质子交换膜的使用温度;第二,甲醇易通过N afion膜渗透到阴极,使得阴极催化剂对氧还原活性降低,同时还降低了燃料利用率。近年来,人们除研制高活性的催化剂材料外[7,8],在合理优化阳极催化层结构方面也开展了许多研究工作,后者的研究工作主要集中在电极内组分配比方面[9~11],只有少数工作涉及到新型电极结构。本实验室W ei等[2]发展了一种用于D M FC的新型电极结构,阳极由靠...  (本文共5页) 阅读全文>>

武汉理工大学
武汉理工大学

质子交换膜燃料电池低Pt高氧传输性能催化层的制备、结构与性能研究

质子交换膜燃料电池在新能源汽车具有举足轻重的地位,而且中国政府将质子交换膜燃料电池汽车上升到国家发展战略。但是铂(Pt)资源非常稀缺导致价格昂贵,而且每年Pt的开采量无法满足质子交换膜燃料电池汽车的需求,因而降低Pt用量是质子交换膜燃料电池商业化的关键问题之一。当催化层中Pt载量降低至0.1 mg_Pt/cm~2以下时,一方面,全氟磺酸树脂中的磺酸根基团与Pt表面存在较强的吸附力,在催化层中的Pt表面形成致密的全氟磺酸树脂薄膜(ionomer-film);另一方面,高电流密度下Pt附近存在大量的水而形成水膜。全氟磺酸树脂/水膜严重阻碍了氧气的传输,导致膜电极高的传质极化损失而无法达到性能要求。本论文通过阴极催化层掺杂聚四氟乙烯(PTFE)纳米颗粒和聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA),利用聚合物的位阻效应降低催化层中全氟磺酸树脂薄膜的致密性来提高催化层的氧传输能力。并通过PTFE纳米颗粒构筑连续性的疏水网络,减少Pt附近水膜,...  (本文共136页) 本文目录 | 阅读全文>>

厦门大学
厦门大学

质子交换膜燃料电池阴极催化层的仿真模拟和设计

燃料电池是一种高效、清洁的能源利用方式,但要依赖于价格昂贵的Pt基贵金属催化剂。为了降低燃料电池成本,非贵金属催化剂Fe/N/C材料受到了广泛关注。但Fe/N/C催化剂制备的阴极催化层厚度较大,比传统铂催化层厚度大1个数量级,使得阴极传质过程变得更加困难。燃料电池Fe/N/C阴极催化层的传质成为其应用的一个难题。燃料电池结构和过程复杂,原位表征、在线表征手段比较缺乏,人们难以准确得到燃料电池中物质的传递数据。利用成熟的理论基础,建立合理的燃料电池数学模型,可以获取电池运行中的微观数据,使得仿真模拟在燃料电池研究中扮演着越来越重的角色。在本论文中,我建立了燃料电池阴极催化层模型,模型求解区域包含了气体扩散层、阴极催化层和质子交换膜。利用COMSOL Multiphysics求解相应模型方程,得到阴极催化层中物质传递规律和电化学特性。对Fe/N/C催化层结构进行设计修改,探索改善燃料电池性能的方法,加深了对燃料电池中物质传递过程的理...  (本文共69页) 本文目录 | 阅读全文>>