双室直接葡萄糖碱性膜燃料电池产电性能研究

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1、双室直接葡萄糖碱性膜燃料电池产电性能研究ElectricityProductionPerformanceofaTwo-chamberDirectGlucoseAlkalineMembraneFuelCell领域：环境工程作者姓名：杨玉楼指导教师：刘宪华副教授企业教师：杨健高级工程师天津大学环境科学与工程学院二零一五年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表戒撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学戒其他教育机构的学位戒证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

2、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部戒部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印戒扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门戒机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要葡萄糖是一种在世界上含量相当丰富的生物质，由于其具有低成本、无毒性、容易获取和储存、便于运输和环境友好等特点，近些年来被广泛的用于各种

3、燃料电池的原料。在前期工作中，以泡沫镍为阳极材料，以甲基紫精为电子传递体，构建了一种单室的葡萄糖碱性碱料电池。这种电池虽然性能较好，但仍存在两个问题：一是游离的甲基紫精不能重复利用，使得电池运行成本较高；二是甲基紫精具有一定的毒性，排放到环境中会产生生态风险。在本论文工作中，利用阴离子交换膜，构建了一种双室型碱性燃料电池。使用泡沫镍作为电池阳极，空气扩散阴极作为阴极，阴极室和阳极室之间由一层阴离子交换膜隔开。以葡萄糖为底物，甲基紫精（MV）作为电子传递体，在碱性的电解质中研究了葡糖糖、甲基紫精（MV）、KOH浓度和环境温度等因素对电池功率密度的影响。结果表明，在室温条件下，当

4、葡萄糖、KOH、甲基紫精（MV）的浓度分别为1M、3M、15mM时，电池的最大功率密度可以2达到5.20W/m。且在适当范围内，随着葡萄糖、KOH、甲基紫精浓度和温度的提高，电池的功率密度也会得到提升。电池的氧化还原产物是一些小分子的有机酸。在此研究的基础上，论文进一步改进了阳极，对甲基紫精固定化，制备了一种甲基紫精修饰的泡沫镍阳极（MV-Ni），进而实现了甲基紫精的循环利用。MV-Ni阳极的使用既降低了电池运行成本，也避免了甲基紫精排放对环境的危害。论文同时也检测了MV-Ni阳极在不同浓度KOH中的稳定性，并研究了MV-Ni阳极中甲基紫精浓度不同对电池性能的影响。结果表明，

5、将该阳极运用于双室的碱性燃料电池，极大地提高了电池性能。在1M葡萄糖和3MKOH的条件下，当阳极中甲基紫精和活性炭的质量比为3:1时，电池的功率密度可2以达到24.16W/m。通过电池的放电曲线测试，发现该种阳极不仅可以提高电池的持久性，而且还使得电池的质量比容量得到了极大地提高。且该MV-Ni阳极表现出良好的重现性与稳定性。最后，用高效液相色谱表征了葡萄糖的氧化还原产物。关键词:葡萄糖；双室碱性燃料电池；阴离子交换膜；甲基紫精；修饰阳极ABSTRACTGlucose,asafairlyabundantbiomassintheworld,whichischeap,nonpoi

6、sonous,easytogetandsave,convenienttotransportandpollution-freetoenvironment,andforthesereasonsithasbeenstudiedasthefuelforfuelcellinawiderange.Inpreviouswork,withfoamnickelasanodematerialsandmethylviologenasanelectronmediator,wehavebuiltasingle-roomglucosealkalinefuelcell.Althoughtheperform

7、anceofthiscellisgood,therearestilltwoproblems.Oneisthatthefree-styleformofmethylviologenwhichiscannotbereusedimprovingthecell’soperatingcosts.Anotherproblemisthatthetoxicityofmethylviologenwillmakeitproduceecologicalrisksafteremissionsintotheenvironment.