试析液体进料直接甲醇燃料电池膜电极的研究

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1、天津大学博士学位论文液体进料直接甲醇燃料电池膜电极的研究姓名：张军申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：王宇新20021201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逶应未来能源和环境要求麴理想电源。DMFC被认为最适宜作可移动动力电源和便携式电源，如电动车电源和手机电漓。液体进料DMFC筵融为其在实用上具商{艮大的方便之处。露为人们艇关注。作为DMFC的心脏，膜电极性能低下是制约DMFC走向实用化的关键闵索之一。本磷究鐾在通过实验秘数学模型，磺究膜电极的优化方法，解释甲醇

2、穿透对电池性能的影响。本研究采用电流～电压极化曲线和交流阻抗谱方法，对膜电裰的热压条件、扩教屡和催化刻层灼组成与结构、电极涎化过程等因素对液体逊料DMFC性能的影响进行了全面的研究。本工作首次发现膜电极的活纯过稃虽然不会改交DMFC的最馒放电性娆，但可以大大缝短电池到达最佳放电状态的时间。研究表明，膜电裰往能主要受质子交换貘的电簿率、阳极催化帮璃鼙、阳极C02气体和阴极水的传递、催化刘层的活性比表戚积和质子电导率等因素控制。制备高性能膜电辍韵关键在于找到这些因素的最佳蹉配。实验结果显示，铡备膜魂极利‘最佳的热压滴度和压力分别为1204C和15．5

3、MPa；阳极倦化剂的适宜载量为4ragPvJcm2：阳极和阴极锉化剂层的Nation摄优含量分别为45，0憾％和35。3州％。通过对阳极扩散层和催化剂层的疏水处理，降低了阳极产生的C02簿致的倦化活性比表露积损失，有效地提高了电池性能。本磅究还以促进C02气体摊放为目标，采用添加造孔荆的方法提高了液体迸科DMFC阳极催化剂层的孔陈率，显著地改羲了电池性能。另外，通过对双极扩散层的疏水处理，有效地改蔫了阴极水的排出，迸一’步提高了电泡性能。为了深入理解电泡内发生的物理化学现象，特别是甲醇穿透对l；_琶沧性能的影蛔，建立了⋯个更宠善的波体遂料DMFC

4、稳态模型。该模型汹盖了DMFC中的主爱物邂化学过程，色括：甲醇永溶液在膜电极肉的扩散、对流和电迁移：矮子在阳极健化剂屡和阴极催化剂屡内的传递；氧气、水蒸汽在阴极的扩散；阳极催化剂层内的甲醇氧亿反应动力学；馘及阳极催化荆层内的氧还臻秘甲簿氧化反应动力学。在模型中，首次采用“并行电极反应理论”定量计算了}p醇穿透过电位。剃电池敬电性畿的模拟结巢与实验符合良好。模型显示在低救电f垃滚密度下，甲醇穿透显著地增加了电池阴极过电位，降低了电池电压；但在高电流密度下，甲醇穿透对电'虺1陡能的影响不显著。模拟结哭还表明，在膜的弱项性能指标⋯质f电学率和甲醇透过率

5、中，前者对液体迸料DMFC性能的彩响更为关键。关键词：赢接甲醇燃料电池；聚合物膜；电催化裁；模型；ABSTRACTDirectmethanolPEMrueIeell(DMFC)isrecognizedasanewalternativetothepresentpowersourcesbecauseofitscharacteristicsofhighe嫩ciency,highpowerdensity,Jowemissionandeasyfuelcarriage．DMFCisexpectedtofindwideapplicationasaportabl

6、eormobilepower．exemplifiedbybatteryforcellularphonesorengineforelec砸cvehicles．LiquidfeedDMFCisreceivingmoreattentionbecauseitismoreconvenienttouseinpractice．However,thelackofhighperformancemembraneelectrodeassembly(MEA)，theheanofDMFC，hasbecomeoneofthekeyobstaclestoitsapplicat

7、ion。零hegoalofthisstudyistooptimizeMEAsthroughinvestigationoffactorsaffectingtheirperformance，withanemphasisonelucidatingtheeffectsofmethanolcrossover．TheperformanceofliquidDⅪFeisevaluatedasafunctionofthecompositionandstructureofMEAs，hot—pressingconditionandactivationprocessby

8、meansofV-IpolarizationmadACimpedancesloectrometryItisdiscoveredthata