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1、直接甲醇燃料电池空气阴极的研究化研132李迎本文摘自湿法冶金（HydrometallurgyofChina）第27卷第3期(总第107期)2008年09月概述本文利用稳态电流-电压极化曲线法,研究了空气增湿、空气增湿温度以及空气流量对DMFC电池化学性能的影响。结果表明,空气增湿后电池性能明显提高,空气增湿温度和空气流量的最佳运行工艺参数分别为40~60℃和670mL/min。在35℃、常压条件下,当DMFC输出电压为0.277V时,其输出电流密度和峰值功率密度分别可以达到142.6mA/cm2、39.5mW/cm2。直接甲醇燃料电池的介绍直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将储
2、存在燃料甲醇溶液和氧化剂(氧气或空气)中的化学能直接转化为电能的发电装置,其显著优点是:甲醇燃料来源丰富,成本低廉,能密度较高，电池工作时燃料直接进料,无需重整处理,结构简单,响应时间短,操作方便,易携带和储存,是便携式电子设备、移动电话、摄像机和电动汽车理想的动力源,被认为是最有可能实现商业化应用的电池,从而受到了极大关注。根据DMFC工作原理,水在空气阴极生成,其反应式为:3/2O2+6H++6e-→3H2O。如果空气阴极一侧生成的水和阳极甲醇溶液通过Nafion膜扩散到阴极上的水不足以弥补阴极中大量空气带出去的水分时,阴极水平衡就会被破坏,造成空气电极一侧质子交换膜失水变
3、干,引起电池内阻大幅度上升、电池性能迅速下降,最后致使电池难以正常运行。为此,着重研究了常温常压条件下,以甲醇液体作阳极燃料、以空气为氧化剂,不同运行工艺参数,如空气增湿、空气流量以及空气增湿温度对直接甲醇燃料电池电化学性能的影响。1试验部分1.1试剂、材料和仪器阳极和阴极催化剂分别为英国JohnsonMattheyCo.生产的Pt-Ru/C(质量分数为90%)和Pt/C(质量分数为40%),美国杜邦公司生产的Nafion117膜和质量分数为10%的Nafion溶液,日本Toray公司生产的碳纸,质量分数为60%的PTFE溶液,碳黑(VulcanXC-72),异丙醇(化学试剂)
4、,饱和甘汞电极,BT01-100型蠕动泵,LZB型液体转子流动计,XMTB型数显温控恒温箱,REX-C700型数控加热器,ACO-318型空气泵以及VMP2型电化学综合测试仪(美国普林斯顿公司)。1.2流场板的制作阴、阳极流场板均采用石墨板,其流场尺寸为20mm×25mm。利用流场雕刻设备在石墨板上制作单通道蛇形流场及密封槽,其中单通道蛇形流场槽深、槽宽和脊宽均为1mm。密封材料为硅胶树脂或玻璃胶等。1.3膜电极(MEA)的制备1)Nafion117膜的预处理:在体积分数为3%的双氧水溶液中煮沸0.5h后,取出,用去离子水冲洗3次,放入2mol/L的硫酸溶液中煮沸1h,使其质子
5、化,接着用去离子水冲洗数次后留在去离子水中备用。2)扩散层的制备:取一定量的PTFE乳液、碳黑、Nafion溶液和异丙醇水溶液混合后通过超声波处理30min,然后滴涂在2块面积为20mm×25mm的碳纸上,凉干备用。3)催化层的制备:取一定量Pt-Ru/C和Pt/C分别加入一定比例的Nafion溶液和异丙醇水溶液,超声波处理200次,然后涂覆于事先已经处理好的扩散层上,并在真空干燥箱中干燥12h。4)MEA的热压成型:将上述2块含有扩散层和催化层的碳纸分别置于处理过的Nafion117膜两侧,在135℃和1MPa条件下,热压3min后得到一个由甲醇电极、空气电极和电解质膜组成的
6、MEA。1.4单电池的组装和性能测试将上述MEA放入2块自制的、有效面积为5cm2的石墨流场板中,两侧分别加上集流板、绝缘片和端板,夹紧密封,组装成单电池。电池用热棒加热,热电偶测温。其性能在电化学综合测试系统VMP2(PrincetonAppliedReseach)上测量。反应物为甲醇和空气,反应条件为常温、常压。2结果与讨论2.1单电池性能图1为活化后的DMFC膜电极的V-I曲线和功率密度曲线。活化试验条件:膜电极放入电池测试装置中,阳极通甲醇溶液,接着停止蠕动泵运转,让静止甲醇溶液缓慢扩散;阴极利用空气自然扩散,然后在35℃下,小电流密度放电运转9h。其性能测试试验条件为
7、:低温、常压,甲醇浓度1.5mol/L,电池温度35℃,甲醇流速2.5mL/min,阴极为自然空气进料。阴极空气由小型空气泵输送,经过空气流量计,进入第1个增湿器。当空气增湿以后,接着进入第2个增湿器,最后进入电池阴极,其中2个增湿器的温度均由恒温水浴槽控制。第1个增湿器主要起空气增湿和温控作用,第2个增湿器主要是为了防止增湿空气把水带入电池阴极,造成水淹阴极,影响电池性能,起缓冲和温控作用。从图1看出,当单电池的输出电压为0.277V时,其输出电流密度和峰值功率密度分别达到142.6mA/
