全被动式直接甲醇燃料电池核心部件研究

• 作 者: 袁婷
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 全被动式直接甲醇燃料电池 制备工艺 传质效率 聚集状态 方孔结构

全被动式直接甲醇燃料电池( DMFC)能量密度高、环境友好、结构简单，在便携式移动电源领域备受关注。膜电极集合体(MEA)是DMFC发电的核心组件，集流体则是收集电流的关键部件，两者直接影响到电池的性能。针对全被动式DMFC面临的技术挑战，本论文研究了阳极微孔层结构、阻醇膜、阴/阳极催化层以及阳极支撑层憎水性等对MEA性能的影响，优化了MEA的制备工艺。还通过改变集流板的结构和占空比，改善了电池内部的传质效率。　　
本论文选用不同碳材料作为阳极微孔层(MPL)材料，发现一维有序碳纳米管可在MPL中形成网络式结构，有利于甲醇的传质，减小了电池的内阻和阳极反应的电荷传递电阻，显著提高了MEA的性能。　　
催化层中催化活性位点都必须与质子导体和电子导体相连接才能起有效的催化作用。Nafion树脂常以聚集状态存在，使得催化剂纳米粒子不能有效地与之接触。本论文通过简单的热处理成功调控了液相中Nafion的聚集状态。粒度分析结果表明，液相的Nafion颗粒和浆料中催化剂与Nafion形成结合体的颗粒均随温度升高而减小。当热处理温度升至80℃时，可以将Nafion溶液中所有的多链聚集体都变成单链。高温热处理催化剂浆料不仅可以提高电池的性能，还可以降低了催化剂和Nafion载量，在保证电池高性能的同时，为成本的降低提出了新思路。　　
通过层层静电自组装的方法，成功实现了氧化石墨烯(GO)在Nafion212膜表面的修饰，发现GO的组装不仅降低了膜的甲醇渗透，还增加了膜的强度。结果表明，GO修饰膜的甲醇渗透速率明显降低，渗透到阴极的甲醇氧化电流与未修饰膜相比降低了近50％。　　
此外，我们还研究了阳极支撑碳纸憎水性、阴/阳极集流板结构以及占空比对电池性能的影响。研究发现，用2M甲醇水溶液进料，阳极支撑碳纸的憎水性越低，被动式DMFC峰值功率密度越高，但恒电流放电时会因为阴极水淹严重而导致不稳定。而在阴/阳极采用高占空比的方孔集流板，可改善电池内部的传质效率，显著提高电池的极限扩散电流，在阳极和阴极用占空比为75％的方孔结构时，被动式DMFC的最大功率密度高达46.8mWcm-2。