直接二甲醚燃料電池膜電極與電堆的性能研究.pdf

1、直接二甲醚燃料電池（Direct dimethyl ether fuel cell,DDFC）是以二甲醚（Dimethyl ether,DME）為燃料的直接型燃料電池，最近幾年開始受到關注。目前的研究主要集中在DME電氧化機理上，對DDFC膜電極（Membrane ele ctrode assembly,MEA）的研究甚少。MEA是DDFC的核心部件，是化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的場所，其性能很大程度上決定了電池的性能。因此制備高性能的

2、MEA，優(yōu)化MEA的組成與結構就顯得非常重要。本論文主要結合DME燃料的特性，針對DDFC的MEA進行研究，提高了電池性能，并設計研發(fā)了一種小型被動式DDFC電堆。
　　詳細研究了MEA的組成及結構對電極性能的影響。以Pt/C為陽極催化劑的MEA在高電流密度區(qū)表現(xiàn)出較好的性能；在低電流密度區(qū)，PtRu/C作陽極催化劑的電極性能較優(yōu)。與Pt/Vulcan XC-72相比，Pt/MWNTs對DME顯示出更高的催化活性。MEA陽極催化層

3、中隨著催化劑Pt載量的增加，電極性能先增大再有所減小，陽極擴散層中PTFE的最佳含量為20mass％。MEA陰極催化層中Nafion含量為20mass%，擴散層中PTFE含量為30mass%時顯示出較好的電極性能。Nafion膜厚度與電池開路電壓成正比，采用Nafion112的MEA性能最差，采用Nafion115膜的MEA可以獲得最大的電池功率密度（46mWcm-2）。
　　通過對DDFC性能的研究發(fā)現(xiàn)，當1.5molL-1DM

4、E水溶液以5mLmin-1陽極進料時顯示出較好的電池性能，而當DME氣體飽和加濕，流速為200mLmin-1時電池性能較好。與DME氣體相比，以DME溶液為燃料的DDFC可以獲得更好的電池性能和長時間放電穩(wěn)定性。DDFC與DMFC相比較，DME透過Nafion115膜的滲透系數(shù)比甲醇低大約一個數(shù)量級，DME在Pt/C玻璃碳電極上的初始氧化電位較甲醇負移50mV左右。在低電流密度區(qū)，DDFC的性能要優(yōu)于DMFC；在高電流密度區(qū)，DMFC則

5、表現(xiàn)出較好的性能。電池在80℃工作時，DDFC的最大功率密度為56mWcm-2，DMFC的最大功率密度為81mWcm-2，DDFC的最大功率密度約為DMFC的69%。
　　針對DME在水中的溶解度隨溫度升高而下降的特性，研究了一種用于DDFC的MEA新結構，其陽極擴散層在同一平面上分成了親水與憎水兩個區(qū)域。電池在50℃運行時，新型MEA表現(xiàn)出較優(yōu)的電極性能，與親水和憎水MEA相比較，新型MEA具有較小的傳質(zhì)阻抗和長時間運行性能衰減

6、率。通過改變新型MEA陽極擴散層中親、憎水區(qū)域的面積比可調(diào)節(jié)DDFC在不同工作溫度下的電極性能。低溫時，陽極擴散層中親水區(qū)面積較大的MEA性能較優(yōu)；而高溫時，陽極擴散層中憎水區(qū)面積較大的MEA可以獲得更好的電極性能。
　　設計、研究了一種小型被動式DDFC電堆。各單體電池性能均一性較好，電堆的開路電壓在4V左右，最大功率為300mW。6單體電池可以按照不同的方式進行電連接，改變的只是電流與電壓值，電堆的總輸出功率基本不變。電堆在恒