直接甲醇燃料電池膜電極制作及性能研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)具有系統(tǒng)簡單、比能量高、燃料便于儲(chǔ)運(yùn)等優(yōu)點(diǎn),是未來理想的移動(dòng)電源系統(tǒng).但是,目前DMFC的比功率較低,尚無法實(shí)際應(yīng)用.為提高功率密度,DMFC常采用高催化劑載量、高工作溫度等措施.例如,DMFC陽極Pt載量常高達(dá)4~12mg/cm<'2>,工作溫度常為60~130℃.高催化劑載量和高工作溫度迫使DMFC采取特殊的膜電極結(jié)構(gòu),如無擔(dān)載催化劑電極;傳統(tǒng)的膜電極制作工藝必須作相應(yīng)的改進(jìn),電池工作條件也待優(yōu)化.本論文

2、的目標(biāo)是改進(jìn)DMFC膜電極制作和提高DMFC性能.我們發(fā)展了二種制作膜電極的新方法,一種用于制作高催化劑載量的超薄電極,另一種使電極層直接涂覆在Nafion膜表面變得簡單易行.在此基礎(chǔ)上我們對影響DMFC性能的關(guān)鍵工作條件進(jìn)行了考察和優(yōu)化,還對堿性膜DMFC進(jìn)行了初步的可行性實(shí)驗(yàn).論文的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:1.DMFC無擔(dān)載催化劑電極制作新方法為獲高功率輸出,DMFC電極需要高催化劑載量.如果使用炭載催化劑,會(huì)導(dǎo)致電極過厚,催化劑利用率

3、降低,電極內(nèi)部IR降增大.而高分散的無碳載催化劑在制備上相對困難,且在使用中容易發(fā)生團(tuán)聚和燒結(jié).本論文工作發(fā)展了一種DMFC無擔(dān)載催化劑電極制作的新方法,其特征是先用催化劑前體與聚合物電解質(zhì)的溶液涂制電極,再將成形的電極中的催化劑前體還原成金屬.此方法的優(yōu)點(diǎn)是催化劑與聚合物電解質(zhì)接觸充分,可獲得高分散度無擔(dān)載催化劑和高載量超薄電極.采用此技術(shù)制得的無擔(dān)載PtRu陽極,其催化劑粒度約3~4nm,在90℃、Pt載量3.7mg/cm<'2>的

4、條件下可獲400mA/cm<'2>@0.35V的陽極性能,優(yōu)于2003年條件相近的文獻(xiàn)報(bào)道.2.Nafion乳液法制作膜電極的嘗試在膜電極的制作方法中,將催化層直接涂覆在Nafion膜表面的做法可獲得最佳的膜電極接觸.但由于配制催化劑墨水需使用Nafion溶液,其溶劑使Nafion膜強(qiáng)烈溶脹,實(shí)際操作時(shí)很難在Nafion膜表面涂制平整均勻的催化層.本論文提出采用非極性溶劑制備Nafion乳液或微乳液,代替Nafion溶液配制催化劑墨水的

5、新思路,可使催化層非常簡易地涂覆于Nafion膜表面,無需熱壓操作.初步實(shí)驗(yàn)表明,采用Nafion環(huán)己烷乳液制作的膜電極在催化劑利用率、放電性能等方面均不亞于傳統(tǒng)方法所制膜電極.這是一種頗具應(yīng)用前景的膜電極規(guī)模制作新方法3.DMFC單電池性能研究這部分的工作研究了采用上述無擔(dān)載催化劑電極技術(shù)構(gòu)建的DMFC單電池的性能及關(guān)鍵工作參數(shù)的影響,主要結(jié)論是:(1)電池需經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕罨娇烧９ぷ?活化的機(jī)理可能包括清潔作用和打通聚合物電解質(zhì)中的

6、離子通道.(2)為了獲取高的功率密度,需提高DMFC的催化劑載量.由于多孔電極的特性,催化劑載量存在上限.DMFC陽極還存在"氣封"效應(yīng),電極較厚時(shí),反應(yīng)產(chǎn)生的CO<,2>不易排出,降低了催化劑利用率.(3)增大陰極氣壓有利于陰極反應(yīng)動(dòng)力學(xué),控制適當(dāng)?shù)年帢O氣流量可避免陰極淹死,獲得平穩(wěn)的功率輸出.(4)在我們的工作條件下,2mol/L是較合適的甲醇濃度,可避免大電流放電時(shí)出現(xiàn)濃差極化.(5)本課題組目前獲得的最大DMFC單電池功率是20

7、7mW/cm<'2>(0.35V,90℃),此性能與目前文獻(xiàn)中報(bào)道的最佳性能接近.4.堿性膜直接甲醇燃料電池的可行性實(shí)驗(yàn)堿性電解質(zhì)膜直接甲醇燃料電池(AEMDMFC)的價(jià)值在于拓寬催化劑的選擇范圍,目前實(shí)現(xiàn)AEMDMFC的難點(diǎn)在于制備高性能的堿性聚合物電解質(zhì).在適合燃料電池使用的堿性聚合物電解質(zhì)仍未成功的現(xiàn)階段,利用現(xiàn)有的堿性膜組裝AEMDMFC,考察其運(yùn)行規(guī)律也是很有必要的.本工作使用自制的季銨鹽聚合物電解質(zhì)和一種"凝膠電解質(zhì)"膜組裝