管状直接甲醇燃料电池结构优化设计与膜电极性能研究

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1、硕士学位论文管状直接甲醇燃料电池结构优化设计与膜电极性能研究作者姓名徐笑天学科专业机械工程指导教师袁伟教授所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2018年4月StructuralOptimizationofthePassiveTubularDirectMethanolFuelCellandPerformanceStudyontheMembraneElectrodeAssemblyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XuXiaotianSupervisor：Prof.YuanWei

2、SouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TH16,TM91学校代号：10561学号：201620101034华南理工大学硕士学位论文管状直接甲醇燃料电池结构优化设计与膜电极性能研究作者姓名：徐笑天指导教师姓名、职称：袁伟教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：机械工程研究方向：微电子制造与数字化设计论文提交日期：2018年4月13日论文答辩日期：2018年5月28日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：刘晓初委员：汤勇赵学智莫海军李宗涛摘要直接甲醇燃料电池

3、（DirectMethanolFuelCell，简称DMFC）在移动便携领域具有广阔的应用前景。由于传统平板式DMFC体积较大，双极板造价高昂，所以研究人员提出了管状DMFC（TubularDMFC，简称t-DMFC）的构想。本课题设计并制造了一款使用高浓度甲醇供给的被动式自呼吸t-DMFC，探究了电池结构和操作参数对电池性能的影响；自主制备了柔性膜电极（MembraneElectrodeAssembly，简称MEA）并对MEA性能的影响因素进行了研究，制定出一套适用于t-DMFC的MEA制备工艺流程。本课题的具体研究内容可归纳为：(1)t-DM

4、FC的结构设计与柔性MEA的制备设计并制造了一款使用高浓度甲醇供给的被动式自呼吸t-DMFC，阳极采用多孔不锈钢管作为燃料腔和集电管，阴极采用带孔不锈钢薄带作为集流罩，MEA缠绕包裹在阳极集电管的外侧。自主设计并搭建了MEA超声喷涂系统，分别通过气体扩散电极（GasDiffusionElectrode，简称GDE）方法和催化剂覆载膜（CatalystCoatedMembrane，简称CCM）方法制备以碳布作为扩散层材料的柔性MEA。(2)MEA性能影响因素的研究和耐久性测试本文对影响MEA性能的因素，如催化层的Nafion含量、催化剂载量、热压压

5、力、质子交换膜等进行了实验探究，总结出一套适用于t-DMFC膜电极制备的工艺流程和优化参数。制备出的MEA具有较强的耐甲醇穿透性能，在8M甲醇浓度下的最大功率密度（MaximumPowerDensity，简称MPD）可以达到14.8mWcm-2。使用恒流放电法研究不同甲醇浓度和不同放电电流密度下电池的电压变化以测试MEA的耐久性。实验结果表明增大放电电流密度、使用过低或过高浓度的甲醇溶液会降低MEA的耐久性。(3)t-DMFC的结构与性能优化研究对影响t-DMFC性能的操作参数和结构参数进行了研究，包括阳极甲醇浓度、阴极集流罩开孔率、紧固压力和管

6、体曲率等。电池在10M甲醇浓度下的最大功率密度可达13.15mWcm-2；管体的曲率对于t-DMFC性能的影响不明显；强迫对流实验表明电池的性能会因温度的降低而下降。此外，本文还对t-DMFC的动态特性进行了测试，以表征当外部负载快速变化时电池的响应情况。关键词：被动式；直接甲醇燃料电池；优化；管状；膜电极IAbstractDirectMethanolFuelCell(DMFC)hasawideapplicationprospectinmobileportablefield.Consideringthelargesizeoftraditional

7、tabletDMFCandthehighcostofbipolarplate,theresearchersproposedtheideaofTubularDMFC(t-DMFC).Inthispaper,apassiveair-breathingt-DMFCfedwithconcentratedmethanolwassuccessfullydeveloped.Thestructureofthet-DMFCwasoptimized,andtheinfluenceofstuctureandoperationparametersonthecellper

8、formancewereinvestigated.Flexiblemembraneelectrodeassembly(MEA)wasde