直接二甲醚燃料電池陽極設(shè)計制備與膜電極穩(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、容易儲存和運輸?shù)葍?yōu)點。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時間放電穩(wěn)定的直接二甲醚燃料電池。
　　研究了陽極擴散層組成對直接二甲醚燃料電池性能的影響,包括擴散層基底中聚四氟乙烯(PTFE)含量、微孔層的PTFE含量、擴散層的碳粉載量。研究結(jié)

2、果表明,微孔層 PTFE含量會對微孔層表面形貌產(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)生有利于陽極傳質(zhì)。基底和微孔層中最佳的PTFE含量分別為18 mass％和40 mass%。隨著碳粉載量的增加擴散層中傳質(zhì)路徑變長,電池性能下降。陽極擴散層組成為基底18 mass%PTFE和無微孔層時得到的膜電極(MEA)的性能最好,為76.6 mW cm-2。
　　采用介孔碳制備DDFC陽極微孔層,目的是改善DDF

3、C陽極傳質(zhì),提高電池性能。介孔碳制備的陽極微孔層與XC-72碳制備的陽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。介孔碳陽極微孔層與XC-72碳陽極微孔層相比具有更多的傳質(zhì)通道。介孔碳陽極微孔層中親水的小孔和憎水的中孔可以同時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碳陽極微孔層制備的MEA性能提

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

5、條件下,考察不同的陰陽極催化劑載量對DDFC放電性能的影響。發(fā)現(xiàn)當陽極催化劑載量較高時電池性能較好。在陽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極催化層中物質(zhì)傳遞,提高陽極性能。在Pt/C陽極催化層中加入少量Pt-Ru/C,綜合發(fā)揮Pt/C對DME優(yōu)異的催化活性以及Pt-Ru/C較強的去除毒性中間體毒化的能力,提高陽極性能。在Pt/C陽極催化層中加入少

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DME有著更好的催化活性。
　　對DDFC在恒電流30 mA cm?2,60 oC條件下進行70.5 h的長時間放電測試。長時間放電后電池性能發(fā)生衰減。通過 EIS測試發(fā)現(xiàn)電池陽極性能的衰減較陰極嚴重,電池內(nèi)阻未發(fā)生明顯升高。壽命測試前后陽極和陰極的電化學表面積的降低主要是由于 Pt顆粒的長大造成的。DME及其氧化中間產(chǎn)物對陽極