發(fā)布時(shí)間：2018-04-21 20:54

  本文選題：質(zhì)子交換膜燃料電池 + 直接甲醇燃料電池　； 參考：《濟(jì)南大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cel,DMFC)對(duì)于便攜式電源、電動(dòng)汽車和固定式發(fā)電站的應(yīng)用具有很大的潛力。因?yàn)槠渚哂懈叩睦碚撃芰棵芏�、較低的廢氣排放、低溫快速啟動(dòng)、燃料存儲(chǔ)簡(jiǎn)單便捷,所以近年來(lái)DMFC受到科研人員的廣泛關(guān)注并取得重大突破。直接甲醇燃料電池的核心部件是膜電極組件(membtane electrode assembly,MEA),由陽(yáng)極電極、電解質(zhì)和陰極電極經(jīng)熱壓結(jié)合而成。目前商業(yè)化DMFC陰、陽(yáng)極催化劑分別采用Pt/C和PtRu/C。在陽(yáng)極,甲醇在水的參與下發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2、H+和電子,CO2直接從陽(yáng)極排出,H+通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極,同時(shí)電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極,然后與陰極的O2反應(yīng)生成H2O,所以DMFC是將甲醇燃料和氧氣反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能并且不受卡諾循環(huán)的限制。但是,DMFCs的商業(yè)化還面臨著一些挑戰(zhàn):(1)DMFC陰、陽(yáng)極反應(yīng)活性低,電催化劑價(jià)格高昂;(2)目前商業(yè)化的全氟磺酸樹(shù)脂膜Nafion價(jià)格高昂(US$800 2000 m-2),并且阻醇性能差;(3)甲醇電氧化反應(yīng)的中間產(chǎn)物會(huì)加速DMFC的裂解速率;(4)水、熱管理困難。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文從MEA的結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手進(jìn)行DMFC的性能優(yōu)化及熱穩(wěn)定性研究,然后對(duì)催化層中Pt/C與Nafion的自組裝行為進(jìn)行探究,并設(shè)計(jì)了一種原位電催化評(píng)價(jià)方法,其主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過(guò)研究陰極催化層Nafion含量對(duì)DMFC結(jié)構(gòu)和性能的影響,進(jìn)行MEA結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Nafion影響催化層的質(zhì)子傳輸和水管理,隨著Nafion含量的增加,催化層表面親水性增強(qiáng),所以易發(fā)生陰極水淹的現(xiàn)象,Nafion含量的增加會(huì)提高催化層中的質(zhì)子傳輸能力,同時(shí)減少催化層中的孔容,從而增加傳質(zhì)阻力,我們發(fā)現(xiàn)隨著Nafion含量的提升,催化層表面粗糙度、裂痕增多。當(dāng)Nafion含量為30wt.%時(shí),DMFC表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能,峰功率密度可達(dá)到90mW cm-2;(2)通過(guò)對(duì)催化層的加熱處理研究催化層的熱穩(wěn)定性,研究發(fā)現(xiàn)催化層中Nafion的加入可以有效地抑制碳腐蝕現(xiàn)象,催化層中Nafion為納米級(jí)薄膜,與Nafion膜相比,其熱穩(wěn)定性降低,同時(shí)Pt/C會(huì)加速Nafion的裂解。與未熱處理的電極相比,熱處理催化層后的電極均表現(xiàn)出不同程度的性能降低,尤其是在200℃,其功率密度僅為未處理電極的69%,但是熱處理后Pt的電化學(xué)活性面積并沒(méi)有發(fā)生明顯變化,說(shuō)明反應(yīng)位的Nafion沒(méi)有發(fā)生裂解。所以催化層在熱處理過(guò)程中,其非反應(yīng)活性位的Nafion發(fā)生裂解,從而使得質(zhì)子傳輸通道不完整,無(wú)法傳輸質(zhì)子,電池性能下降;(3)為了研究催化層的形成過(guò)程,即Pt/C和Nafion的自組裝行為,利用XRD和XPS進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn),Pt/C和Nafion自組裝形成催化層的過(guò)程中,鉑納米粒子被氧化成為PtO,同時(shí)Pt/C中碳上的含氧官能團(tuán)含量降低,因此我們首次提出Pt/C和Nafion自組裝過(guò)程過(guò)程中的原電池機(jī)理,即Pt和C上的含氧官能團(tuán)分別作為還原劑和氧化劑、Nafion作為質(zhì)子導(dǎo)體、炭黑作為電子導(dǎo)體形成一個(gè)原電池反應(yīng),該機(jī)理的提出進(jìn)一步的揭開(kāi)了Pt/C與Nafion的自組裝原理,加深了對(duì)催化層的形成過(guò)程的理解,有利于新型催化劑和質(zhì)子交換膜的設(shè)計(jì),同時(shí)PtO的出現(xiàn)使得Nafion結(jié)構(gòu)發(fā)生反轉(zhuǎn),磺酸支鏈結(jié)構(gòu)與Pt相鄰,從而有效地?cái)U(kuò)展了三相界面;(4)目前,對(duì)于氧還原(oxygen reducted reaction,ORR)電催化劑的電化學(xué)性能測(cè)試主要采用非原位的薄膜旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極(thin film rotating disk electrode,TFRDE)進(jìn)行測(cè)試,或者原位的MEA進(jìn)行測(cè)試,但是MEA的制備工藝復(fù)雜,所以我們?cè)O(shè)計(jì)了適用于ORR原位測(cè)試的micro-MEA方法,我們利用商業(yè)Pt/C催化劑比較了三種不同方法對(duì)于ORR性能影響,發(fā)現(xiàn)micro-MEA可以成功地模擬MEA的結(jié)構(gòu)并得到了與之基本一致的極化曲線,但是TFRDE僅可以獲得低電流密度下的電催化性能,并且由于質(zhì)子傳導(dǎo)及傳質(zhì)方式的不同,導(dǎo)致結(jié)果與MEA出現(xiàn)一定偏差,同時(shí)我們用三種方法評(píng)價(jià)了目前研究廣泛的非Pt基催化劑Fe-N-C,發(fā)現(xiàn)TFRDE與micro-MEA的結(jié)果偏差較大,因此TFRDE無(wú)法準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)Fe-N-C的適用性,micro-MEA可以有效地評(píng)價(jià)催化劑的原位ORR電催化活性。
[Abstract]:鐩存帴鐢查唶鐕冩枡鐢墊睜(direct methanol fuel cel,DMFC)瀵逛簬渚挎惡寮忕數(shù)婧，

本文編號(hào)：1784060