直接二甲醚燃料電池陽(yáng)極設(shè)計(jì)制備與膜電極穩(wěn)定性研究.pdf

1、二甲醚(DME)作為燃料電池燃料具有低毒性、高能量密度、低滲透、容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。因此,以DME為燃料的直接二甲醚燃料電池(DDFC)近年引起研究者們的廣泛關(guān)注。目前,對(duì)于DDFC單體電池的放電性能和穩(wěn)定性研究較少。本研究旨在研制具有高輸出性能和長(zhǎng)時(shí)間放電穩(wěn)定的直接二甲醚燃料電池。
　　研究了陽(yáng)極擴(kuò)散層組成對(duì)直接二甲醚燃料電池性能的影響,包括擴(kuò)散層基底中聚四氟乙烯(PTFE)含量、微孔層的PTFE含量、擴(kuò)散層的碳粉載量。研究結(jié)

2、果表明,微孔層 PTFE含量會(huì)對(duì)微孔層表面形貌產(chǎn)生影響。隨著 PTFE含量的增加微孔層中微裂紋數(shù)目增多。微裂紋的產(chǎn)生有利于陽(yáng)極傳質(zhì)?；缀臀⒖讓又凶罴训腜TFE含量分別為18 mass％和40 mass%。隨著碳粉載量的增加擴(kuò)散層中傳質(zhì)路徑變長(zhǎng),電池性能下降。陽(yáng)極擴(kuò)散層組成為基底18 mass%PTFE和無微孔層時(shí)得到的膜電極(MEA)的性能最好,為76.6 mW cm-2。
　　采用介孔碳制備DDFC陽(yáng)極微孔層,目的是改善DDF

3、C陽(yáng)極傳質(zhì),提高電池性能。介孔碳制備的陽(yáng)極微孔層與XC-72碳制備的陽(yáng)極微孔層的主要差別在于BET比表面、孔體積以及孔徑分布的不同。介孔碳陽(yáng)極微孔層與XC-72碳陽(yáng)極微孔層相比具有更多的傳質(zhì)通道。介孔碳陽(yáng)極微孔層中親水的小孔和憎水的中孔可以同時(shí)滿足氣體和液體傳輸。XC-72微孔層中主要為憎水大孔,僅適合氣體傳質(zhì)。介孔碳陽(yáng)極微孔層制備的 MEA在60 oC條件下的最大功率密度為32 mW cm2,比XC-72碳陽(yáng)極微孔層制備的MEA性能提

4、高了20%。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,介孔碳陽(yáng)極微孔層陽(yáng)極傳質(zhì)性能優(yōu)于XC-72碳陽(yáng)極微孔層,這也是電池性能提高的原因。
　　設(shè)計(jì)了 DME氣體與溶液同時(shí)供料的陽(yáng)極流場(chǎng)以及與其相配合的梯度憎水的陽(yáng)極擴(kuò)散層,解決了液相進(jìn)料飽和 DME溶液的濃度限制問題,增加了參加反應(yīng)的陽(yáng)極DME量。另外,雙通道進(jìn)料方式由于DME氣體需要穿過MEA擴(kuò)散層才能排出電池外,在陽(yáng)極擴(kuò)散層內(nèi)形成強(qiáng)制對(duì)流,有利于陽(yáng)極傳質(zhì)。
　　在MEA陰陽(yáng)極Pt載量之和一定的

5、條件下,考察不同的陰陽(yáng)極催化劑載量對(duì)DDFC放電性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)陽(yáng)極催化劑載量較高時(shí)電池性能較好。在陽(yáng)極催化層中添加造孔劑(NH4)2CO3,可以有效地改善催化層微觀結(jié)構(gòu),拓展反應(yīng)物/催化劑/電解質(zhì)三相界面,較高的孔隙率有利于陽(yáng)極催化層中物質(zhì)傳遞,提高陽(yáng)極性能。在Pt/C陽(yáng)極催化層中加入少量Pt-Ru/C,綜合發(fā)揮Pt/C對(duì)DME優(yōu)異的催化活性以及Pt-Ru/C較強(qiáng)的去除毒性中間體毒化的能力,提高陽(yáng)極性能。在Pt/C陽(yáng)極催化層中加入少

6、量Pt-Ru/C后的MEA與普通MEA相比放電性能提高了近15%。研究發(fā)現(xiàn)Pt/SnO2/C較Pt/C對(duì)DME有著更好的催化活性。
　　對(duì)DDFC在恒電流30 mA cm?2,60 oC條件下進(jìn)行70.5 h的長(zhǎng)時(shí)間放電測(cè)試。長(zhǎng)時(shí)間放電后電池性能發(fā)生衰減。通過 EIS測(cè)試發(fā)現(xiàn)電池陽(yáng)極性能的衰減較陰極嚴(yán)重,電池內(nèi)阻未發(fā)生明顯升高。壽命測(cè)試前后陽(yáng)極和陰極的電化學(xué)表面積的降低主要是由于 Pt顆粒的長(zhǎng)大造成的。DME及其氧化中間產(chǎn)物對(duì)陽(yáng)極