直接甲醇燃料電池空氣陰極的研究

直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種將儲存在燃料甲醇溶液和氧化劑(氧氣或空氣)中的化學(xué)能直接轉化為電能的發(fā)電裝置,其顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是:甲醇燃料來(lái)源豐富,成本低廉,能密度較高,電池工作時(shí)燃料直接進(jìn)料,無(wú)需重整處理,結構簡(jiǎn)單, 響應時(shí)間短,操作方便,易攜帶和儲存,是便攜式 電子設備、移動(dòng)電話(huà)、攝像機和電動(dòng)汽車(chē)理想的動(dòng)力源,被認為是最有可能實(shí)現商業(yè)化應用的電池, 從而受到了極大關(guān)注。

根據DMFC工作原理,水在空氣陰極生成, 其反應式為:

如果空氣陰極一側生成的水和陽(yáng)極甲醇溶液通過(guò) Nafion膜擴散到陰極上的水不足以彌補陰極中大量空氣帶出去的水分時(shí),陰極水平衡就會(huì )被破壞, 造成空氣電極一側質(zhì)子交換膜失水變干,引起電池內阻大幅度上升、電池性能迅速下降,最后致使電 池難以正常運行。為此,著(zhù)重研究了常溫常壓條件下,以甲醇液體作陽(yáng)極燃料、以空氣為氧化劑,不同運行工藝參數,如空氣增濕、空氣流量以及空氣增濕溫度對直接甲醇燃料電池電化學(xué)性能的影響。

1. 試驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

陽(yáng)極和陰極催化劑分別為英國Johnson Matthey Co.生產(chǎn)的Pt-Ru/C(質(zhì)量分數為90%) 和Pt/C(質(zhì)量分數為40%),美國杜邦公司生產(chǎn) 的Nafion117膜和質(zhì)量分數為10%的Nafion溶 液,日本Toray公司生產(chǎn)的碳紙,質(zhì)量分數為 60%的PTFE溶液,碳黑(Vulcan XC-72),異丙 醇(化學(xué)試劑),飽和甘汞電極,BT01-100型蠕動(dòng) 泵,LZB型液體轉子流動(dòng)計,XMTB型數顯溫控 恒溫箱,REX-C700型數控加熱器,ACO-318型 空氣泵以及VMP2型電化學(xué)綜合測試儀(美國普 林斯頓公司)。

1.2 流場(chǎng)板的制作

陰、陽(yáng)極流場(chǎng)板均采用石墨板,其流場(chǎng)尺寸為 20 mm×25 mm。利用流場(chǎng)雕刻設備在石墨板上制作單通道蛇形流場(chǎng)及密封槽,其中單通道蛇形流場(chǎng)槽深、槽寬和脊寬均為1 mm。密封材料為 硅膠樹(shù)脂或玻璃膠等。

1.3 膜電極(MEA)的制備

1) Nafion117膜的預處理:在體積分數為3% 的雙氧水溶液中煮沸0.5 h后,取出,用去離子水沖洗3次,放入2 mol/L的硫酸溶液中煮沸1 h, 使其質(zhì)子化,接著(zhù)用去離子水沖洗數次后留在去離子水中備用。

2) 擴散層的制備:取一定量的PTFE乳液、 碳黑、Nafion溶液和異丙醇水溶液混合后通過(guò)超聲波處理30 min,然后滴涂在2塊面積為20mm ×25 mm的碳紙上,涼干備用。

3) 催化層的制備:取一定量Pt-Ru/C和Pt/C 分別加入一定比例的Nafion溶液和異丙醇水溶液,超聲波處理200次,然后涂覆于事先已經(jīng)處理好的擴散層上,并在真空干燥箱中干燥12 h。

4) MEA的熱壓成型:將上述2塊含有擴散層和催化層的碳紙分別置于處理過(guò)的Nafion 117 膜兩側,在135℃和1 MPa條件下,熱壓3 min后 得到一個(gè)由甲醇電極、空氣電極和電解質(zhì)膜組成 的MEA。

1.4 單電池的組裝和性能測試

將上述MEA放入2塊自制的、有效面積為5 cm2的石墨流場(chǎng)板中,兩側分別加上集流板、絕緣 片和端板,夾緊密封,組裝成單電池。電池用熱棒 加熱,熱電偶測溫。其性能在電化學(xué)綜合測試系 統VMP2(Princeton Applied Reseach)上測量。反應物為甲醇和空氣,反應條件為常溫、常壓。

2. 結果與討論

2.1 單電池性能

圖1為活化后的DMFC膜電極的V-I曲線(xiàn) 和功率密度曲線(xiàn)?；罨囼灄l件:膜電極放入電 池測試裝置中,陽(yáng)極通甲醇溶液,接著(zhù)停止蠕動(dòng)泵 運轉,讓靜止甲醇溶液緩慢擴散;陰極利用空氣自 然擴散,然后在35℃下,小電流密度放電運轉9 h。其性能測試試驗條件為:低溫、常壓,甲醇濃 度1.5 mol/L,電池溫度35℃,甲醇流速2.5 mL/min,陰極為自然空氣進(jìn)料。

陰極空氣由小型空氣泵輸送,經(jīng)過(guò)空氣流量 計,進(jìn)入第1個(gè)增濕器。當空氣增濕以后,接著(zhù)進(jìn) 入第2個(gè)增濕器,最后進(jìn)入電池陰極,其中2個(gè)增 濕器的溫度均由恒溫水浴槽控制。第1個(gè)增濕器 主要起空氣增濕和溫控作用,第2個(gè)增濕器主要 是為了防止增濕空氣把水帶入電池陰極,造成水 淹陰極,影響電池性能,起緩沖和溫控作用。從圖 1看出,當單電池的輸出電壓為0.277 V時(shí),其輸 出電流密度和峰值功率密度分別達到142.6 mA/cm2,39.5 mW/cm2。