直接甲醇燃料电池低温运行及传输特性

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作者：

黄桂兰

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摘要：

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)具有结构简单,能量转化效率高,工作温度低,无污染,比功率大等优点,是当今最具有发展前途的可替代能源之一,主要作为移动电源或便携式电源应用于微电子设备,微机电系统,微型医疗器械,个人通讯设备等.在实际应用中,DMFC需要适应各种温度环境,必然也会面临在低于室温以及0℃以下的恶劣环境中运行的问题.而DMFC的性能受温度制约,随着温度的下降,电池性能下降,而当温度低于0℃时,水容易结冰,这将严重影响电池结构及性能.因此直接甲醇燃料电池的低温运行及保存,低温启动及低温耐久性是限制其商业化应用的关键性问题之一,也是当前燃料电池研究中的一个极具挑战性的前沿方向. 本文采用有效面积为4.41 cm2的自制膜电极组件对DMFC在室温以下环境中(25℃)的性能特性以及低温储存和冷启动特性进行了实验研究.首先研究了在温度范围为25～5℃内DMFC的性能,优化了甲醇溶液浓度,甲醇溶液流速及氧气流速等运行参数;然后对电池在零度以下环境中的冰冻解冻(F/T)循环特性进行了实验研究,结合电镜扫描和接触角测量对膜电极组件(MEA)的结构进行了形貌分析,通过循环伏安法,欧姆阻抗测量以及极化测试等电化学方法对电池性能进行了分析,提出了一种低温条件下MEA储存的方式;最后针对电池在零度以下环境中的启动,研究了电池在变温和恒温两种环境中的启动特性以及性能变化.主要研究成果如下: ①采用薄层亲水催化层电极法制得膜电极,并采取通入70℃的甲醇溶液17 h的方法来对MEA进行活化.实验发现,活化后,电池性能提高了2.5倍;通过SEM表征,发现自制MEA各层表面均匀且层与层之间接触良好,并结合躺滴法测量接触角发现,在制作过程中适当提高PTFE的含量可以提高膜电极的憎水性. ②研究了DMFC在温度范围为25℃～5℃时的性能.实验结果发现,由于电化学反应速率受温度影响较大,且温度的降低恶化了反应物的传质过程,降低了质子交换膜的电导率,电池性能随着环境温度的下降而下降,且温度越低,性能衰减越明显. ③在室温以下环境(5℃)中,优化电池运行参数可以提高电池性能.实验结果表明:甲醇渗透随温度的下降而变弱,随甲醇浓度的增加而变强,本文中甲醇浓度为4M时电池性能最佳;甲醇流速的提高有利于燃料的传输,但也加强了流体与电池之间的对流换热,导致电池热量损失,因此低甲醇流速下电池性能更佳;氧气流速的提高可以加速水的排出及反应物的扩散传输,同时也携带走了电池热量,在此温度条件下得到最佳氧气流速100 mL·min-1. ④在25～-5℃温度范围内对电池进行了10次冰冻解冻循环实验研究,并在25℃下测试电池性能.发现电池性能随着冰冻解冻循环次数的增加而逐渐衰减,且由于每次的含水量相同,衰减程度变缓,最后电池性能趋于稳定; ⑤对经过F/T循环之后的MEA进行形貌和结构分析发现,扩散层表面出现了裂纹和碳纸脱落现象,且MEA其他部件如微孔层,催化层均出现了结构性破坏,且各部件憎水性均下降;对MEA进行电化学表征,发现经F/T循环后电极催化剂活性面积减少,电极与膜和流场之间的接触电阻变大,阳极极化严重.上述原因共同导致了电池性能下降. ⑥对DMFC在变温环境中的低温运行特性进行了实验研究,实验结果表明:随着环境温度从25℃降至-5℃,电池能够成功运行,且适当的加快降温速率有利于电池在低温下稳定运行;随着运行次数的增加,电池的常温性能均出现了回升的现象,但最终仍然逐渐衰减. ⑦对DMFC在-5℃下的启动性能研究发现:电池能够在-5℃下成功启动,最大放电电流可以达到205 mA,但仅为常温性能的25%;电池性能随着甲醇浓度的增加先增加后下降,最佳浓度为4 M;适当提高氧气流速利于提高电池性能,但流速过高,电池的热量损失较大;采取小电流密度运行,电池更能够快速启动且长期稳定运行.

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关键词：

直接甲醇燃料电池 低温性能 冰冻解冻循环 冷启动

学位级别：

硕士

学位年度：

2010