常温下以甲烷作为质子交换膜燃料电池直接燃料的应用研究

【摘要】： 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、能量转化效率高、低温启动和环境友好等特点,因此,是电动汽车的理想动力电源之一。PEMFC的燃料主要是高纯度氢气,但是高纯度氢气的制备、储存和运输的成本很高,成为制约PEMFC实用化的主要障碍之一。如何利用燃料电池使用廉价的碳氢燃料进行发电成为燃料电池技术研究的热点。甲烷含氢量高,具有和氢气相当的电化学氧化电位,来源广泛并且属于可再生资源。因此开展使用甲烷作为燃料的PEMFC技术对于推动PEMFC实用化具有重要意义。 本文首先以甲烷和氢气的混合燃料代替氢气作为阳极燃料以提高氢气利用率,然后,利用旋转圆盘电极技术研究了以Pt(5 vvt.%)/C、Pt(46、vt.%)/C和Pt(40 wt.%)-Ru(20wt.%)/C作为阳极催化剂时,甲烷分别在6 mol L~(-1)NaOH溶液和0.5 mol L~(-1)H_2SO_4溶液中的电化学氧化反应活性,最后考察了甲烷作为PEMFC直接燃料时,影响电池开路电压和功率密度的关键因素。 研究表明,以甲烷和氢气的混合气体代替氢气作为燃料时,随着甲烷流量的增加,燃料电池的性能逐渐降低。对比相同的阳极催化剂下,甲烷在6 mol L~(-1) NaOH溶液和0.5 mol L~(-1) H_2SO_4溶液中的电催化氧化行为时,甲烷在6 mol L~(-1) NaOH溶液中表现出更高的电化学氧化活性;在相同的电解质中,随着阳极催化剂中Pt含量的增加,催化剂对甲烷电化学氧化反应的催化活性不断提高,而阳极催化剂中Ru组分的引入可以进一步提高催化剂对甲烷电化学氧化反应的催化活性。 催化剂、工作温度、加湿温度和氧化剂是影响燃料电池发电性能的重要因素。随着阳极催化剂中Pt含量的增加和Ru组分的引入,以甲烷为直接燃料的PEMFC(简称为直接甲烷燃料电池DM-PEMFC)的最大输出功率密度逐渐增加;随着气体加湿温度和电池工作温度的升高,DM-PEMFC的开路电位和最大输出功率密度逐渐增加;以H_2O_2取代O_2作为氧化剂时,DM-PEMFC的功率密度得到了大大提高。当以Pt(40 wt.%)-Ru(20wt.%)/C作为阳极催化剂,催化剂担载量为5 mg cm~2,Pt(5、wt.%)/C作为阴极催化剂,催化剂担载量为5 mg cm~(-2),电池工作温度为363 K,加湿温度为383 K,以30、wt.%H_2O_2作为氧化剂时,DM-PEMFC的最大输出功率密度可以达到11.25 mW cm~(-2),此时,甲烷的氧化效率约为37.3%。 【关键词】：质子交换膜燃料电池 甲烷 阳极催化剂 氧化剂 工作条件 电池性能
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-28
• 1.1 燃料电池综述11-15
• 1.1.1 燃料电池发展简史11-12
• 1.1.2 燃料电池工作原理12-13
• 1.1.3 燃料电池的特点13-14
• 1.1.4 燃料电池分类14-15
• 1.2 质子交换膜燃料电池组件15-19
• 1.2.1 质子交换膜15-17
• 1.2.2 气体扩散电极17-18
• 1.2.3 双极板和流场18-19
• 1.3 甲烷在燃料电池中的应用19-26
• 1.3.1 甲烷制氢19-21
• 1.3.2 甲烷直接应用在固体氧化物燃料电池21-22
• 1.3.3 甲烷在常温质子交换膜燃料电池的应用22-26
• 1.4 本文的主要研究内容26-28
• 2 实验方法28-36
• 2.1 实验原料及试剂28
• 2.2 催化剂的表征方法28-31
• 2.2.1 X衍射结构分析(XRD)28-29
• 2.2.2 透射电子显徽镜分析(TEM)29
• 2.2.3 循环伏安法(CV)29-31
• 2.3 膜电极(MEA)制备31-33
• 2.3.1 Nafion 117膜的处理31
• 2.3.2 气体扩散电极的制备31-32
• 2.3.3 膜电极的制备32-33
• 2.4 电池的装配33-34
• 2.5 燃料电池的测试系统34-36
• 3 甲烷在不同阳极催化剂上的电化学氧化行为36-50
• 3.1 催化剂的微观结构表征36-40
• 3.1.1 催化剂的XRD实验结果36-38
• 3.1.2 催化剂的TEM实验结果38-40
• 3.2 催化剂对甲烷电化学氧化的催化性能40-50
• 3.2.1 酸性环境下催化剂的甲烷催化氧化性能40-43
• 3.2.2 碱性环境下催化剂的甲烷催化氧化性能43-50
• 4 低温直接甲烷燃料电池的影响因素50-69
• 4.1 燃料对低温直接甲烷燃料电池性能的影响50-52
• 4.2 阳极催化剂对于低温直接甲烷燃料电池性能的影响52-59
• 4.2.1 阳极催化剂在不同电池工作温度下对单电池开路电压的影响52-54
• 4.2.2 阳极催化剂在不同气体加湿温度下对单电池开路电压的影响54-55
• 4.2.3 阳极催化剂对于单电池输出功率密度的影响55-59
• 4.3 电池工作温度对于低温直接甲烷燃料电池的影响59-62
• 4.3.1 电池工作温度对单电池开路电压的影响59-60
• 4.3.2 电池工作温度对于单电池输出性能的影响60-62
• 4.4 气体加湿温度对于低温直接甲烷燃料电池的影响62-65
• 4.4.1 气体加湿温度对单电池开路电压的影响62-63
• 4.4.2 气体加湿温度对于单电池的输出性能的影响63-65
• 4.5 氧化剂对于单电池输出性能的影响65-69
• 5 结论69-71
• 5.1 论文主要结论69-70
• 5.2 课题展望70-71
• 参考文献71-76
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果76

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