夏朝阳[1]2004年在《直接甲醇燃料电池膜电极制作及性能研究》文中研究表明直接甲醇燃料电池(DMFC)具有系统简单、比能量高、燃料便于储运等优点,是未来理想的移动电源系统。但是,目前DMFC的比功率较低,尚无法实际应用。为提高功率密度,DMFC常采用高催化剂载量、高工作温度等措施。例如,DMFC阳极Pt载量常高达4～12mg/cm~2,工作温度常为60～130℃。高催化剂载量和高工作温度迫使DMFC采取特殊的膜电极结构,如无担载催化剂电极;传统的膜电极制作工艺必须作相应的改进,电池工作条件也待优化。 本论文的目标是改进DMFC膜电极制作和提高DMFC性能。我们发展了二种制作膜电极的新方法,一种用于制作高催化剂载量的超薄电极,另一种使电极层直接涂覆在Nafion膜表面变得简单易行。在此基础上我们对影响DMFC性能的关键工作条件进行了考察和优化,还对碱性膜DMFC进行了初步的可行性实验。 论文的主要内容和结论如下: 1.DMFC无担载催化剂电极制作新方法 为获高功率输出,DMFC电极需要高催化剂载量。如果使用炭载催化剂,会导致电极过厚,催化剂利用率降低,电极内部IR降增大。而高分散的无碳载催化剂在制备上相对困难,且在使用中容易发生团聚和烧结。本论文工作发展了一种DMFC无担载催化剂电极制作的新方法,其特征是先用催化剂前体与聚合物电解质的溶液涂制电极,再将成形的电极中的催化剂前体还原成金属。此方法的优点是催化剂与聚合物电解质接触充分,可获得高分散度无担载催化剂和高载量超薄电极。采用此技术制得的无担载PtRu阳极,其催化剂粒度约3～4nm,在90℃、Pt载量3.7mg/cm~2的条件下可获400mA/cm~2@0.35V的阳极性能,优于2003年条件相近的文献报道。 2.Nation乳液法制作膜电极的尝试 在膜电极的制作方法中,将催化层直接涂覆在Nafion膜表面的做法可获得最佳的膜电极接触。但由于配制催化剂墨水需使用Nafion溶液,其溶剂使Nafion膜强烈溶胀,实际操作时很难在Nafion膜表面涂制平整均匀的催化层。本论文提出采用非极性溶剂制备Nafion乳液或微乳液,代替Nafion溶液配制催化剂墨水的新思
吴晓晖[2]2009年在《小型被动式直接甲醇燃料电池动态性能实验研究》文中研究说明燃料电池是一种通过电化学反应持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置。由于其环境友好、效率高,燃料电池日益受到世界各国政府和企业的重视。而直接甲醇燃料电池被认为是取代传统的电池用于像笔记本电脑、手机和个人电子助手等电子设备作为移动电源的最佳选择之一,这是因为它拥有高的能量密度,而且可以方便地更换燃料。而传统的主动式的直接甲醇燃料电池需要使用泵来供应燃料,需要压气机或者高压气瓶来供应氧化剂,这些辅助设备会额外的消耗能量而且也会增加系统的复杂性。所以被动式直接甲醇燃料电池逐渐被人们所关注。目前,一些研究机构已对被动式燃料电池做了一些研究,但是这些研究大多是集中在如何进行被动供燃料以及被动式燃料电池的静态性能。对于被动式直接甲醇燃料电池动态性能的研究尚少见于公开文献报道。本文设计制造了小型被动式直接甲醇燃料电池,该电池可在任意角度下工作,极限电流密度可达110mA/cm2。对被动式燃料电池的动态响应特性开展了实验研究。实验结果表明,被动式直接甲醇燃料电池的动态性能与主动式直接甲醇燃料电池存在不同之处。本文的主要研究结果如下:1.设计了被动式直接甲醇燃料电池。(1)采用石墨作为电池的极板,流场采用开孔率为42%的开孔流场。(2)有效面积为25cm2的膜电极包括Nafion117质子交换膜以及两片碳布作为阴、阳极的扩散层。阴、阳极的催化剂分别为4mg/cm2的Pt/C和的4mg/cm2Pt-Ru/C。(3)为了保证电池在任何方向的持续供液,作者自行设计了供液系统,系统较为复杂分为储液罐、两层结构和定位板等。2.对膜电极进行了初始化,初始化后的膜电极有较为稳定的高性能。3.实验研究了被动式燃料电池的动态性能。(1)对不同浓度下燃料电池的静态性能进行了测试,最终选定9mol/L为测试一系列动态性能的浓度以得到比较高的,稳定的电池性能。与此同时,对燃料电池的稳定性也做了测试,并对不同电流密度下的阴极凝水现象进行了现场可视化观测。(2)当电流按递增后再递减的动态加载、且两次加载的电流方波之间有卸载时间时,从开路瞬间加载到小电流时,电池的开路电压骤降到一个低值,然后又迅速回升,而随着电流增大,这种现象越来越不明显。(3)在低电流加载的时候电压是不断上升的,而在高电流加载的时候电压是不断下降的,而且会随着时间的推移不断地加剧。在加载时间为60s的时候电压响应趋于平缓,而加载时间为120s的时候,电池的性能逐渐下降。(4)电流阶梯跃迁的动态响应结果表明,电容效应的影响在多数工况下并不明显。(5)研究了工作角度对电池性能的影响。在平行于极板方向上旋转的时候0°的性能最好,45°的时候次之,90°时候性能最差。在研究与极板方向垂直的方向里旋转的时候,依然是0°的时候的性能最好。(6)研究了甲醇浓度较低时,加载电流的不稳定现象,并对其影响因素进行了分析和讨论。
张宇峰, 张曙斌, 刘晓为[3]2018年在《微型直接甲醇燃料电池的研究进展》文中研究指明为了更好地理解快速发展的微型直接甲醇燃料电池技术,分析了消费市场和国防系统对小体积、高性能的便携式电源的需求,总结了微型直接甲醇燃料电池技术的发展现状.微型直接甲醇燃料电池利用微机械加工技术制作,在笔记本电脑、手机、单兵系统、弹药引信等领域有广阔应用前景,因为它具有体积小、质量轻、能量密度高、环境友好等优点.但同时也因为微小尺寸效应,微型直接甲醇燃料电池中也存在产物管理、制造方法、膜电极制备、燃料供给等方面的技术难题.对目前微型直接甲醇燃料电池的研究状况进行深入调研,分析了影响燃料电池输出性能的关键因素,指出了微型直接甲醇燃料电池面向未来应用的发展趋势和所需要解决的技术挑战.
朱小伟[4]2008年在《被动式自呼吸直接甲醇燃料电池温度特性及可视化实验研究》文中提出随着世界人口的迅速增长和人均能源消耗量的持续增大,全球性能源短缺问题日趋突出。与此同时,日益严重的环境污染问题也成为倍受人们关注的焦点。如果没有新型能源动力,世界将从目前的能源短缺很快走向能源枯竭,因此发展清洁、高效的新能源动力技术是刻不容缓的。燃料电池以其高效和清洁的特点为人们带来了曙光,其中直接甲醇燃料电池(DMFC)作为新型的便携能源,具有结构紧凑、环境友好、方便持久、能量密度高等优点,是一种具有广阔市场应用前景的高新技术,正成为电化学和能源科学里的一个研究热点。被动式自呼吸DMFC阴极不需要外部辅助设备(如泵或风扇)的帮助,就可以从氧气中获得氧化剂;阳极甲醇存储在紧贴在阳极基板的燃料罐内,通过浓度梯度可以到达阳极催化层表面。被动式自呼吸DMFC以其高的可靠性、低成本、简单的结构、高的燃料利用率以及高的能量密度等特点,成为未来移动设备首选的电源。本课题利用亚克力制作电池夹具和燃料罐,利用碳纸、Nafion 117等制备MEA,利用不锈钢材料加工流场板,组装完成有效面积为4.41 cm2的被动式自呼吸DMFC,并对该电池进行了性能研究、可视化实验和温度特性研究。探讨了催化剂种类、Nafion膜材料、扩散层材料、甲醇浓度、环境温度、环境湿度等因素对于电池性能的影响;可视化研究了放电电流、环境温度、环境湿度等参数对于阴极液滴生成规律的影响;讨论了甲醇浓度、放电电流对于电池温度特性的影响,并研究了该电池的能量效率特性。主要研究成果如下:①对电池进行了一系列的性能实验并对电池进行优化,发现在制作MEA催化层时,碳黑担载量为15wt %时电池性能较好;由于浓差极化和甲醇渗透的共同作用,随着甲醇浓度的增加,电池功率密度先上升后下降,在甲醇浓度为4 mol/L时电池性能最佳;与碳纸相比,碳布孔隙分布较均匀,喷涂扩散层和催化层时物质分布更加均匀,传质阻力较小,电池性能较好;Nafion膜越薄,甲醇渗透就越严重,当膜薄到一定程度时,甲醇渗透致使电池性能急剧下降;②周围环境相对湿度对于电池性能的影响取决于环境温度:当环境温度低于10℃时,相对湿度对于燃料电池性能影响很小;当环境温度为20℃和35℃时,可以发现,在低电流区域和中电流区域,湿度对于燃料电池的性能影响也不大;而在高电流区域,燃料电池的性能随着相对湿度的增加而变差;当环境温度为50℃时,在低电流区域电池的性能随着相对湿度的增加而变好,在高电流区域,燃料电池的性能随着湿度的增加而变差;③随着周围环境温度的升高,燃料电池的性能明显提高;④随着放电的进行,阴极侧液体分布从分散的小液滴到聚合形成大液滴,直到形成液膜最后覆盖整个呼吸孔,造成严重的阴极水淹现象;同一放电时刻,随着电流密度的增大,液体覆盖率增大;温度一定时,湿度越大越易引起阴极水淹;湿度一定时,温度越低越易引起阴极水淹;⑤注入燃料后,电池电压迅速上升,然后缓慢下降,最后又略有回升;而电池温度先迅速上升,升高速度渐缓,最后达到稳定;放电开始瞬间,电池电压突降,随着放电的进行缓慢下降,电池温度先升高后下降;电池温度随着放电电流密度和甲醇浓度的增大而变大;⑥随着温度的提高,电池能量效率显着提高;随着相对湿度、甲醇浓度和放电电流的增加,电池能量效率显着降低。
徐明媛[5]2008年在《空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池关键部件研究》文中提出直接甲醇燃料电池(DMFC)具有结构简单、能量密度高、燃料便于携带与储存等优点,在小型可移动电源和微型电源方面具有广阔应用前景。DMFC的阴极水管理能力和阳极纯甲醇燃料的使用对提高其性能和稳定性至关重要。本文首先采用不同碳粉作为DMFC膜电极集合体(MEA)阴极微孔层材料,研究和比较了不同MEA的性能及稳定性,选出了较适合作阴极微孔层的碳材料。在此基础上综合考虑不同碳粉的孔结构,以不同碳粉按一定比例混合作为阴极微孔层,改善了阴极微孔层的孔结构,降低了传质阻抗,增强了阴极微孔层的排水能力,显着提高了DMFC的性能和稳定性。实验结果表明,阴极微孔扩散层中Black Pearl 2000(BP)的添加对电池性能有较大的影响。当阴极微孔扩散层中的Ketjen Black(KB)和BP碳材料以9:1比例混合时,在25℃、空气“自呼吸”条件下直接甲醇燃料电池的最大功率密度可达到20.8 mW/cm~2,而且电池还具有较好的稳定性。高的功率密度和好的稳定性可归属于少量BP的添加改善了阴极微孔扩散层的孔结构。另外,在DMFC的微孔层和催化层中加入造孔剂改善了水管理层的孔结构,从而降低了气体反应物的扩散传质阻力。在通过调控微孔层解决阴极水管理问题的基础上,本文还针对基于MEMS技术制作的微型燃料电池阴极的硅片做了疏水处理,使从MEA内部排出的水很难在电池阴极的外围聚集,从而快速挥发到空气中,降低了阴极水淹的可能性。被动式DMFC的阳极侧在电池运行过程中要消耗甲醇和水,造成燃料腔内甲醇浓度的变化,从而影响输出的稳定性。为解决阳极稳定的甲醇供给,本文研制了一种憎水、透醇和透气的多功能复合渗透膜,将其应用于纯甲醇储罐和供给阳极的甲醇溶液储罐之间,使纯甲醇按照一定的速率渗透到甲醇溶液储罐中,为阳极反应提供稳定的燃料供给,初步解决了微型燃料电池系统纯甲醇的添加和使用技术,为微型直接甲醇燃料电池能量密度的提高打下了扎实的基础。
王亮[6]2013年在《一体化甲醇燃料电池膜电极的电雾化沉积研究》文中进行了进一步梳理直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)具有能量转换率高、结构简单便携、低排放、低噪音以及低温工作等优势,在手机、笔记本电脑等小型电子设备方面具有广阔应用前景。膜电极(Membrane Electrode Assembly, MEA)作为燃料电池的核心部件,对电池性能至关重要。本文针对传统直接甲醇燃料电池膜电极结构单一容易分层、结合力差等问题,利用电雾化沉积技术,对膜电极的结构进行改善,制作了材料和结构变化的一体化膜电极,并对膜电极进行了电化学表征,研究了不同工作条件下膜电极结构特征对燃料电池性能的影响。利用电雾化技术沉积Nafion溶液,形成了长锥柱雾化模式,其锥比稳定锥柱模式长,射流可延长至10mm以上,且分散范围很小。随着电压的升高,锥的长度减小,而当液体流量增大时,锥的长度增大,但沉积高度对锥的长度影响不大。研究了Nafion溶液及雾化参数对Nafion膜的影响,通过对Nafion膜结构和电导率分析,利用3.33wt%Nafion溶液在工作电压为3.5kV、流量为2.5×10-10m3s-1、沉积高度为15mm的条件下,获得了表面平整均匀、吸水率好、电导率高的Nafion膜。利用电雾化层层沉积方法分别沉积Pt/C悬浮液、Nafion溶液和Pt-Ru/C悬浮液,制作了3层一体化膜电极,沉积成型的膜电极各功能层紧密结合成为一个整体。其膜电极阴阳极催化剂载量分别为0.4mg-cm-2口1mg·cm-2,厚度均为20μm,质子交换膜厚度为1301μm。将此膜电极组装成自呼吸式DMFC并进行性能表征。随着测试温度的升高,电池的功率密度逐步提高。通过测试电池的交流阻抗频谱发现升高温度可以加速电池内部电化学反应速率,但同时阴极也生成并汇聚了较多的水,阻碍气体的传输,降低了电池性能随温度提升的幅度。此电池在70℃时获得电池最高功率密度为4mW·cm-2。最后对燃料电池进行疲劳测试,发现膜电极结构在经过85小时的持续工作后,阴极催化层与扩散层、质子交换膜仍完好结合。最后制作了材料和结构变化的7层一体化膜电极,此膜电极的催化-扩散层结构从致密-疏松-致密变化,催化剂含量由扩散层至催化层逐步地增加。此膜电极的阴阳极催化剂载量分别为0.4mg·cm-2和1mg·cm-2。将其组装成DMFC,测试结果表明,随着温度的升高,燃料电池的性能也随之升高；经过48小时的疲劳测试发现,燃料电池在3小时后到达正常工作状态,可稳定工作42小时,比3层膜电极具有显着的提高,而且疲劳测试后膜电极催化层与扩散层、质子交换膜仍完好结合,分层现象得到了明显的改善。
杨亮[7]2011年在《电化学制冷制热系统及燃料电池内混合对流换热数值模拟》文中认为燃料电池作为新型的能量供给系统,具有能量转换效率高、环境友好、模块化、安装时间短、可靠性高、燃料补充方便、安静等特点。所以本文建立了完整的基于燃料电池的电化学制冷制热循环系统,并通过自编代码进行了系统的仿真模拟工作。其原理是利用电化学反应过程中的吸热和放热现象达到制冷和制热的效果。此系统循环由质子交换膜燃料电池堆、电解池堆、换热器以及太阳能光伏补偿电源组成。并分别建立了系统组件质子交换膜燃料电池和电解池的静态和动态电化学模型和热量模型,换热器静态和动态热量模型。在此基础之上,将叁者进行了耦合,形成了完整的电化学制冷制热系统数学模型。利用上述系统数学模型,分别进行了系统的制冷和制热性能的分析工作。静态方面包括:系统负载电流的大小对系统组件以及系统制冷和制热性能的影响;系统组件质子交换膜燃料电池和电解池的工作温度对系统制冷和制热性能的影响。动态方面包括:在系统负载电流突变情况下,系统组件的动态性能和响应时间;系统的制冷和制热动态性能和响应时间。模拟结果表明,基于燃料电池、电解池和换热器的电化学制冷制热循环是可行的。可以作为一种替代传统制冷方式的一种方法。在系统负载电流较小的情况下,具有更高的能源使用总效率,在系统负载电流突变的情况下响应速度快。同时由于换热器系统的存在,使得整个系统的运行过程中,能够得到一定量的热水以供使用,提高了整个系统的能源利用率。除此之外,传热是影响燃料电池性能的最重要因素之一,了解电池内部的传热规律,是提高燃料电池的工作性能的一个重要的途径。所以本文仍然通过自编代码,对系统重要组件燃料电池的阳极膜电极建立了二维、非等温模型,研究了其内部因自然对流和混合对流的作用所引起的传热情况。通过数值模拟计算,得到了被动式直接甲醇燃料电池阳极膜电极的流体速度矢量分布和温度分布情况。为提高被动式直接甲醇燃料电池的性能方面提供了一定的理论依据。
叶丁丁[8]2009年在《空气自呼吸式直接甲醇燃料电池两相流动及传输特性》文中指出传统的能量转化是通过热机过程来实现的,热机过程受卡诺循环的限制,不但转化效率低、导致严重的能源浪费,而且产生大量的有害物质以及噪声,造成严重的环境污染问题。而燃料电池发电技术与热机发电过程不同,它是一种直接将储存于燃料或氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置,发电过程步骤少、没有燃烧过程及转动部件,不受卡诺循环的限制,是一种清洁高效的发电技术。近年来,随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展,而且产品新的耗电型功能也不断增强,目前现有的充电电池技术已无法满足日益增长的高能耗需求。空气自呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC)因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点,成为便携式设备最有前景的可替代电源,是电化学和能源科学领域的研究热点。与主动式DMFC相比,空气自呼吸式DMFC反应物传递速率较慢,导致电化学反应速率较低,电池结构上的差异不但使得性能远不及主动式的DMFC,也造成了电池内部的热质传输特性有所不同。因此,对空气自呼吸式DMFC内两相流动及传输特性进行研究具有非常重要的意义。本文从工程热物理学科角度出发,采用自制的膜电极组件对空气自呼吸式DMFC性能及传输特性进行实验研究,包括电池的环境适应性实验,阴极侧水滴积聚特性及其对放电性能影响的可视化实验,电池在搁置、恒电流放电及放电结束后电压稳定整个测试过程中电池的温度特性实验等,进一步深入研究了阳极微孔层的浸润性对电池性能及放电时间的影响;针对阳极侧主动进料的空气自呼吸式DMFC,考虑了扩散层/催化层界面处液相饱和度的不连续性及催化层内的质量传递,建立了一个全面描述电池内两相流动及传质的数学模型,分析甲醇及水渗透的机理。主要研究成果如下:1)对组装的电池采取加入甲醇溶液搁置24 h活化的方法,电池性能提高到活化前的4倍;提出了一种更为简便且高重现性的微孔层制备方法—抽滤法,制得的微孔层更为平整,可获得较高的性能和较长的恒电流放电持续时间。2)研究了催化剂类型、扩散层材料、甲醇溶液浓度、集流板结构等因素对电池性能及传质的影响,实验结果表明:采用高担量的催化剂或碳布制作的膜电极可以强化反应物的传质且易于获得较高的电池性能;适当提高甲醇浓度、采用平行集流板可获得较高的电池性能。3)对环境温度及相对湿度对电池性能的影响进行了研究,实验结果表明:在相同湿度下,空气自呼吸式DMFC电池性能随着环境温度的升高而增加;在相同温度下,环境相对湿度对电池性能的影响与环境温度的大小有关,温度较低时,湿度的影响不大,随着温度的升高,其影响也越来越大。4)研究了恒电流放电过程中阴极侧的水滴积聚特性,实验结果表明:液滴总在某些特定的位置出现,被水完全覆盖的呼吸孔中液体还会不断增多;在低电流密度下,电池恒流放电时间主要受阴极水积聚的影响;在高电流密度下,甲醇的消耗为控制电池放电时间的主要因素;适当提高甲醇浓度、降低放电电流密度及环境湿度均可延长放电持续时间。5)对放电前后及放电期间整个测试过程中电池的温度特性进行了实验研究,结果表明:加入燃料后,电池与环境之间的温差迅速上升,升高的速度渐缓,最后达到稳定,放电期间,温差先升高后降低,且温差随着放电电流密度的增大而增大,但在大放电电流密度下,因放电时间较短未出现下降的趋势,放电结束后,温差骤降;此外,在整个测试过程中温差随甲醇浓度的增大而增大。6)对采用不同浸润性的阳极微孔层时的电池性能及放电持续时间进行比较,发现:在快速扫描模式下,阳极采用亲水的微孔层制备的电池性能优于憎水的微孔层,但在慢速扫描模式下,中高电流密度时,由于阴极侧水滴的积聚,阻碍了氧气的传递,阳极采用憎水的微孔层可获得较好的性能;在恒电流放电初期,阳极采用亲水的微孔层制备的电池性能较好,但随着放电的进行,因采用憎水的阳极微孔层不易发生阴极水淹,电池性能更佳且放电持续时间较长。7)建立了空气自呼吸式DMFC二维两相传质模型,将计算结果与实验数据进行了比较,二者基本吻合。结果表明:在相同电流密度下,甲醇渗透通量随甲醇浓度的增加而增加;在浓度为4M和2M时甲醇渗透通量随电流密度的增加而增加,而在1M时随着电流密度的增加先增加后减少。低电流密度下,扩散在甲醇渗透中起主导作用,而高电流密度下电渗是甲醇渗透最主要的传输方式;电渗和压差在低电流密度时对于水的渗透都起了重要的作用,而在高电流密度时电渗作用占了主导地位。阴极侧总的水通量随着电流密度的增加明显增加,且在低电流密度时,主要来源于渗透的甲醇发生氧化反应生成的水,而在高电流密度下,从阳极渗透到阴极的水占了绝大部分。
张淳[9]2007年在《低温燃料电池电催化剂的制备及其应用研究》文中进行了进一步梳理质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有操作温度低、能量效率高、无电解质腐蚀等特点，是电化学和能源科学领域的一个研究热点。催化剂的研制是质子交换膜燃料电池研究中最具有挑战性的任务之一，催化剂的制备方法对催化剂的性能有显着的影响。本文的重点是开发具有较好低温催化性能的负载型电催化剂，为燃料电池催化剂制备技术提供参考。以XC-72炭粉为载体采用浸渍-甲醛还原法、过氧化氢氧化分解亚硫酸钠盐法和改进的浸渍-还原法制备了炭载铂基催化剂。XRD、TEM分析表明制备的催化剂均为Pt面心立方晶系，在XRD图谱中未发现金属Ru及其氧化物的晶相存在，催化剂中存在部分PtRu合金。采用改进的浸渍-还原法制备的铂基催化剂的金属粒径小，分布均匀。采用循环伏安、交流阻抗研究了Pt／C、PtRu／C催化剂的电化学性能。研究结果表明PtRu／C催化剂的活性顺序为：改进的浸渍-还原法制备的PtRu／C＞浸渍-甲醛还原法制备的PtRu／C＞过氧化氢氧化分解亚硫酸钠盐法制备的PtRu／C。改进的浸渍-还原法制备的Pt／C催化剂在甲醇硫酸溶液中的氧化电流最小、交流阻抗值最大，表明该方法能有效改善Pt／C催化剂的耐甲醇性能。采用自制的催化剂制备膜电极，组装了DMFC及PEMFC单电池并测试了电池的性能。结果表明DMFC单电池以氧气为氧化剂，在常压、室温工作时，最高功率密度为2.42mW／cm~2，输出电流密度10mA／cm~2时，稳定的输出电压0.22V。PEMFC单电池以氧气为氧化剂在常压、室温工作时，最高功率密度为36mW／cm~2，输出电流密度50mA／cm~2时，稳定的输出电压为0.49V。
刘娟英[10]2008年在《直接甲醇燃料电池PtRu基纳米电催化剂的制备和应用》文中进行了进一步梳理直接甲醇燃料电池(DMFC)由于具有能量密度高、结构简单、运行温度低等优点成为当前研发的热点。然而,就该种燃料电池研制的现状,催化剂高的铂用量和高的阳极极化过电位等极大地限制了其商业化开发。同时,阳极催化剂在DMFC长时间运行过程中由于粒子团聚、组分流失等原因制约了DMFC寿命的提高。PtRu基催化剂是DMFC广泛使用的阳极催化剂,为了进一步提高催化剂的活性和稳定性,本论文从催化剂的制备技术入手,较为系统地研究了催化剂组成、结构和粒子大小等对催化剂活性和稳定性的影响,进而优化了催化剂的制备,为DMFC实用催化剂研发打下了基础。本论文通过金属簇合物途径分别制备了DMFC用PtRu/C,PtRuNi/C和PtRuSi/C纳米阳极催化剂,研究了这些催化剂结构和性能之间的“构～效”关系,并与商业化PtRu/C催化剂(Johnson Matthey,J-M)上的性能进行了比较。主要研究结果如下:1.制备出了具有不同原子比的PtRu/C,PtRuNi/C和PtRuSi/C叁类催化剂,这些催化剂具有粒径小、分散度高等特点,粒径在1～3nm范围内可调控。特别是Si的添加有效地减小了催化剂纳米粒子的尺寸。X-射线衍射(XRD)结果表明通过金属簇合物途径制得的催化剂呈单相、无序的面心立方结构。2.实验发现催化剂对甲醇氧化的活性和稳定性与催化剂的组成和结构等密切相关。对于PtRu/C催化剂,当Pt:Ru原子比为2:1、热处理温度为175℃时其对甲醇氧化的电催化活性最高,催化活性较PtRu/C(1:1,J-M)催化剂提高了约22%;对于PtRuNi/C催化剂,当Pt:Ru:Ni的原子比为60:30:10、热处理温度为175℃时催化活性明显高于相似方法制备的Pt_2Ru_1/C催化剂,PtRuNi/C催化剂增强的催化活性可归结为催化剂高的分散度和Ni的助催化作用。3.PtRu/C和PtRuNi/C催化剂的电催化稳定性变化规律相似,随催化剂热处理温度的升高,催化剂的电催化稳定性得到了增强。PtRu/C和PtRuNi/C催化剂经175℃热处理后具有的高的催化活性可归属于最大量的Ru的水合氧化物的存在;而催化剂经高温热处理后电催化稳定性的提高可归因于热处理导致的催化剂合金化程度的提高。显然,Ru的水合氧化物的存在有助于催化剂活性的提高,而合金化程度是影响催化剂稳定性的最重要的因素。这一发现有助于解决PtRu基催化剂热处理温度对催化剂活性和稳定性影响的争议。4.采用自制高载量的PtRu/C(50wt.%)作为直接甲醇燃料电池阳极催化剂,制备的膜电极集合体在相同的条件下功率密度要高于商业化催化剂的,说明通过金属簇合物途径能获得高活性的高载量PtRu/C催化剂。5.Si的添加不仅能减小催化剂粒径,在保持PtRu催化剂高活性的同时,还能提高催化剂的稳定性。本论文研究表明,通过金属簇合物途径能够得到粒径小、粒径分布范围窄的纳米电催化剂。制得的PtRu/C、PtRuNi/C和PtRuSi/C纳米催化剂和商业化催化剂相比,不仅催化活性得到了提高,稳定性也有了很大的改进。更重要的,本论文的研究工作还解决了PtRu基催化剂热处理温度对催化剂活性和稳定性影响的争议。
参考文献：
[1]. 直接甲醇燃料电池膜电极制作及性能研究[D]. 夏朝阳. 武汉大学. 2004
[2]. 小型被动式直接甲醇燃料电池动态性能实验研究[D]. 吴晓晖. 北京工业大学. 2009
[3]. 微型直接甲醇燃料电池的研究进展[J]. 张宇峰, 张曙斌, 刘晓为. 北京工业大学学报. 2018
[4]. 被动式自呼吸直接甲醇燃料电池温度特性及可视化实验研究[D]. 朱小伟. 重庆大学. 2008
[5]. 空气“自呼吸”式直接甲醇燃料电池关键部件研究[D]. 徐明媛. 华东师范大学. 2008
[6]. 一体化甲醇燃料电池膜电极的电雾化沉积研究[D]. 王亮. 大连理工大学. 2013
[7]. 电化学制冷制热系统及燃料电池内混合对流换热数值模拟[D]. 杨亮. 北京工业大学. 2011
[8]. 空气自呼吸式直接甲醇燃料电池两相流动及传输特性[D]. 叶丁丁. 重庆大学. 2009
[9]. 低温燃料电池电催化剂的制备及其应用研究[D]. 张淳. 中南大学. 2007
[10]. 直接甲醇燃料电池PtRu基纳米电催化剂的制备和应用[D]. 刘娟英. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2008