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空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池关键部件研究

徐明媛  
【摘要】: 直接甲醇燃料电池(DMFC)具有结构简单、能量密度高、燃料便于携带与储存等优点,在小型可移动电源和微型电源方面具有广阔应用前景。DMFC的阴极水管理能力和阳极纯甲醇燃料的使用对提高其性能和稳定性至关重要。 本文首先采用不同碳粉作为DMFC膜电极集合体(MEA)阴极微孔层材料,研究和比较了不同MEA的性能及稳定性,选出了较适合作阴极微孔层的碳材料。在此基础上综合考虑不同碳粉的孔结构,以不同碳粉按一定比例混合作为阴极微孔层,改善了阴极微孔层的孔结构,降低了传质阻抗,增强了阴极微孔层的排水能力,显著提高了DMFC的性能和稳定性。实验结果表明,阴极微孔扩散层中Black Pearl 2000(BP)的添加对电池性能有较大的影响。当阴极微孔扩散层中的Ketjen Black(KB)和BP碳材料以9:1比例混合时,在25℃、空气“自呼吸”条件下直接甲醇燃料电池的最大功率密度可达到20.8 mW/cm~2,而且电池还具有较好的稳定性。高的功率密度和好的稳定性可归属于少量BP的添加改善了阴极微孔扩散层的孔结构。另外,在DMFC的微孔层和催化层中加入造孔剂改善了水管理层的孔结构,从而降低了气体反应物的扩散传质阻力。 在通过调控微孔层解决阴极水管理问题的基础上,本文还针对基于MEMS技术制作的微型燃料电池阴极的硅片做了疏水处理,使从MEA内部排出的水很难在电池阴极的外围聚集,从而快速挥发到空气中,降低了阴极水淹的可能性。 被动式DMFC的阳极侧在电池运行过程中要消耗甲醇和水,造成燃料腔内甲醇浓度的变化,从而影响输出的稳定性。为解决阳极稳定的甲醇供给,本文研制了一种憎水、透醇和透气的多功能复合渗透膜,将其应用于纯甲醇储罐和供给阳极的甲醇溶液储罐之间,使纯甲醇按照一定的速率渗透到甲醇溶液储罐中,为阳极反应提供稳定的燃料供给,初步解决了微型燃料电池系统纯甲醇的添加和使用技术,为微型直接甲醇燃料电池能量密度的提高打下了扎实的基础。


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