直接液流甲醇燃料电池用阴极石墨毡的改性研究

发布时间：2020-07-29 19:00

【摘要】：石墨毡具有稳定性好,单位造价下表面积大,很好的流体透过性等优点,常用于直接液流甲醇燃料电池等的电极材料,但是由于其亲水性差,电化学活性不高,极大地限制了它的应用。因此,人们试图通过引入氮、硼等杂原子来改变石墨毡中碳原子的电子结构,进而改善其电化学性能。尽管掺氮的石墨毡有过零星的报道,但是掺氮石墨毡用作直接液流甲醇燃料电池阴极的研究尚处于空白,石墨毡的掺硼研究也暂无人涉及。本文制备了直接液流甲醇燃料电池,对于电池工作温度和阴极石墨毡相对于阴极板凹槽的厚度对电池性能的影响进行了探索。结果表明,提高温度有利于提高Nafion膜的质子电导率及电催化剂活性,从而提高电池性能。相较于阴极板凹槽的深度,厚的石墨毡组装成电池后与阳极半膜电极电接触更好,更有利于电荷传递,抑制了甲醇反应生成的CO2气体在催化层气泡的形成,并最终使其溶于阴极液并被阴极液带走流入储液罐中。用尿素、碳酸氢铵、氨水分别对石墨毡进行掺氮。对于三种掺氮方法的掺氮情况及对石墨毡电极电化学性能的提高与形貌、晶体结构等的影响进行了研究,结果表明,用尿素掺氮的掺氮量及掺氮后的石墨毡电极和以之为阴极的直接液流甲醇燃料电池的电化学性能均最优,用碳酸氢铵掺氮次之,用氨水掺氮最差。用尿素掺氮的最佳处理温度与时间分别为700℃、10 h,用碳酸氢铵掺氮的最佳处理温度与时间分别为200℃、10 h,用氨水掺氮的最佳处理温度与时间分别为180℃、15 h。吡咯型氮是掺氮石墨毡对铁离子电对氧化还原反应催化活性提高的主要原因。采用水热法在180℃下利用不同浓度的硼酸溶液对石墨毡处理不同时间。对石墨毡元素情况及水热处理对石墨毡电极电化学性能的提高与形貌、晶体结构等物理特征的影响进行了研究,XPS结果表明硼酸水热处理后的石墨毡没有硼原子引入,但是氮元素含量有所提高,电池放电测试及电化学测试表明电化学活性有了很大提高,物理表征表明硼酸水热处理过程没有改变石墨毡的晶体结构和形貌,且硼酸的最佳浓度与处理时间分别为0.04 g·mL-1和18 h。将石墨毡放在硼酸上,在氩气保护下于管式炉中进行热处理,在不同温度下处理4 h所得的石墨毡中,1200℃下得到的石墨毡的电化学性能最好。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4;TQ127.11
【图文】：

燃料电池,电化学反应,电子传导,反应物

应物输入燃料电池：燃料电池为了产生电，必须给其提供和氧化物，当燃料电池在高电流下工作时，它对反应物反应物供应不够快，就会成为整个电池的速度控制步骤化学反应：一旦反应物输送到电极，就会发生电化学反应行的速度直接关系到燃料电池产生的电流。电化学反应的电流越大，迟钝的电化学反应会导致较低的电流输出子和电子的传导：电池的电化学反应会产生电子与离子的，必须保证电子与离子的传输顺畅。对于电子而言，其但是，由于离子比电子大很多且重很多，其传输要相对的传输可能会产生显著的电阻损耗，进而降低电池性能应产物从燃料电池中排出：燃料电池的电化学反应生成的出，一旦生成物排出受阻，随着时间不短累积，会阻止新的电化学反应。

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图 1-2 PEMFC 示意图Figure 1-2. The schematic of PEMFC电池系统池组是燃料电池系统的核心部件，其它附属配件用于维持缺一不可。燃料电池系统通常包括：池组：发生电化学反应，将化学能转换为电能。理子系统：控制电池的运行温度，维持系统内部水热平衡供给/处理子系统：向电池组阳极提供燃料，向阴极供给氧子子系统：保持系统稳压直流输出，防止过载或逆变。池的系统十分复杂，其物理状态包含封装压力、温度以及能量输出以及使用寿命通常需要检测和控制一些宏观的参

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图 1-3 液流电池系统示意图Figure 1-3. Schematic of flow battery system的电解液为含有氧化还原电对的溶液，氧化还原对的选择持电化学活性良好；（2）必须具有高可溶性；（3）无论是电极，氧化还原对必须是稳定的；（4）阴极和阳极电甲醇燃料电池燃料的 PEMFC 包括将甲醇重整制氢的中间步骤。20 世接甲醇燃料电池（DEFC）的开发深受重视。与 PEMFC 相量密度，不需要重整装置，系统更为简便、紧凑，很适合但是甲醇电化学氧化产生的 CO，会毒化贵金属催化剂；度扩散和电迁移的方式渗透到阴极并被氧化，降低燃料

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