试析直接甲醇燃料电池膜电极的电化学及u-i性能研究

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1、中南大学硕士学位论文直接甲醇燃料电池膜电极的电化学及U-I性能研究姓名：黎家纯申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：周涛;谢晓峰20080512中南大学硕士学位论文摘要摘要直接甲醇燃料电池(DⅧC)具有环境友好、理论比能量高、结构简单、燃料便于携带与储存等优点，在可移动电源和便携式电源领域具有广阔的应用前景。开展DMFC膜电极的电化学研究，分析电极动态变化行为及电池内部的影响机理，对优化DMFC电极结构以及操作条件，进而提高电池的输出性能和稳定性能都具有重要意义。采用电化学交流阻抗技术测定了DⅧC

2、工作状态下的交流阻抗谱(EIS)，并通过等效电路分析了放电电流及工作温度对电池系统内阻、电荷转移电阻、低频电感和低频电阻的影响；通过常相位角元件初步判定了电池内部动态电极的变化规律。结果表明，随两极反应驱动力的增加，电池内部总体表现出了由理想电容到浓差极化的中间过渡过程。本研究采用I．V极化曲线和EIS的方法，对Nation膜的放电性能、阻醇性能以及质子传导性能进行了考察；并重点对膜电极(MEA)阳极扩散层(GDL)的预处理条件、碳粉型号及碳粉载量进行了全面的优化。结果表明，电池性能主要受电解质膜的电

3、导率、阻醇性能、气、液两相传递等因素影响。Nafionl17电解质膜由于具有较强的阻醇性能，表现出了优于Nationll2和Nafionll5膜的性能。结果表明，制备阳极GDL时，采用PTFE浓度为5wt．％的溶液进行预处理，碳粉型号采用BP2000，载量为lmg／cm2时，电池显示出最佳性能。通过对阳极GDL的疏水处理及优化，起到了降低电池内部传质阻力及提高GDL的导电性能的作用，进而提高电池的放电性能。考察了燃料甲醇溶液浓度、甲醇溶液流量、阴极空气流量以及电池工作温度等操作参数对电池性能的影响。实

4、验发现，由于燃料的传输及甲醇的渗透等多种因素，在甲醇溶液浓度为lmol／L，流量为4mL／min时，电池达到了最佳性能；阴极空气流量的增加能有效提高电池的输出功率；温度升高，能改善电池电化学反应的动力学性能及降低电池的内阻，电池性能得到明显改善。对电池稳定性测试过程进行了EIS现场检测。结果发现，在放电初期，由于电极的活化，电池内阻有所降低，电池性能有一段改善过程；可随着放电时间的延长，电池的欧姆电阻逐渐增加，电池的输出性能发生了明显地衰减。关键词直接甲醇燃料电池，交流阻抗，阳极扩散层，甲醇渗透中南大

5、学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTDirectmethanolfuelcell(DMFC)iSviewedasapromisingpowersourcesforvariousmobileandportabledevicesduetoitsadvantagesofenvironmentfriendly,high—energyefficiency,simplicityandeasytransportationandstorageofthefuel．Thecellperformancelarge

6、lydependsonthepropertiesofmembraneelectrodeassembly(MEA)whichiSessentialpartofDM匝C．TheanalysisofdynamicbehaviorandinteriormechanismofM匝Ahasgreatsignificanceinoptimizingtheelectrodestructureandoperatingparameters，whichhavetremendousinfluencetoimproveperf

7、ormanceandstabilityofDMFC．Theelectrochemicalimpedancespectrum(EIS)ofDⅣ匝CinworkingstatesWasinvestigated．，nleeffectofdischargingcurrentandworkingtemperaturetothesystemresistance，thechargetransferresistanceofelectrochemicalreaction，low-inductanceandlow—fre

8、quencyresistancehadbeenanalysedthroughtheequivalentcircuit．TheintemaldynamicmechanismofDN吓CWasinvestigatedthroughtheconstantphaseelement(CPE)Q，andtheresultshowedthatthereexistedatransitionprocessfromidealcapacitancetothechargetra