直接甲醇燃料电池空气阴极的研究.ppt

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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（Hydrometallur gy of China）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4060 和670mL/min。在35、常压条件下,当DMFC输出电压为0.277 V 时,其输出电流密度和峰值功率密度分别可以达到142.6 mA/cm2、39.5 mW/cm2。,直接甲醇燃料电池的介绍,直接甲醇燃料电池(

2、DMFC)是一种将储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

3、失水变干,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JohnsonMat they Co.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T oray 公司生产的碳纸,质量分数为60%的PTFE 溶液,碳黑(Vulcan XC-72),异

4、丙醇(化学试剂),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20 mm 25 mm。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1 mm。密封材料为硅胶树脂或玻璃胶等。,1.3 膜电极(MEA)的制备1)Naf io n117 膜的预处理:在体积分数为3%的双氧水溶液中煮沸0.5 h 后,取出,用去离子水冲洗3 次,放入2

5、 mo l/L 的硫酸溶液中煮沸1 h,使其质子化,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PT FE 乳液、碳黑、Nafion 溶液和异丙醇水溶液混合后通过超声波处理30 min,然后滴涂在2 块面积为20 mm25 mm 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12 h。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Naf io n 117膜两侧,在135 和1 MP

6、a 条件下,热压3 min 后得到一个由甲醇电极、空气电极和电解质膜组成的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(Princeto n Applied Reseach)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

7、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:低温、常压,甲醇浓度1.5 mol/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0.277 V 时,其输出电流密度和峰值功率密度分别达到142.6

8、mA/cm2,39.5 mW/cm2。2.2 空气增湿对电池性能的影响 图2 为空气增湿对电池性能的影响。可以看出,阴极空气增湿对电池的稳态电流-电压极化曲线有显著影响。,阴极空气经过增湿以后的电池性能明显要好于未增湿的,主要原因在于空气阴极的水平衡失衡而导致膜的质子传输困难,电池性能下降。如果空气阴极一侧生成的水和阳极甲醇溶液通过Naf ion 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干,引起膜的质子传输困难和膜电极结构变化(如膜失水收缩会造成催化层和膜的接触松动等),导致电池性能下降。,2.3 空气增湿温度对电池性能的

9、影响,图3 示出了不同空气增湿温度对电池V-I 曲线的影响,图4 示出了空气增湿温度对电池功率密度曲线的影响。由于DMFC 使用的是甲醇溶液,相对于PEMFC 而言,能够更好地保持Nafion117膜水平衡和提高膜的导电率。关于阴极空气增湿温度对电池性能影响的文献报道并不多,试验中发现,空气增湿温度对电池性能有着较大的影响。,图3,4 表明,随着空气增湿温度的提高,电池性能提高幅度较大。在其他工艺参数相同条件下,当空气增湿温度为30 时,电池开路电压为0.581V,电池峰值功率为10.319 mW/cm2;而当空气增湿温度提高到60 时,电池开路电压为0.721 V,电池峰值功率可以达到12.

10、869 mW/cm2。,增湿温度的提高,一方面使电池温度上升,加快了阴极电化学反应的速率;另一方面也使空气获得了较多的水分,从而弥补了空气带出电池外的水分损失,在一定程度上保证了膜电极的水平衡,避免了Naf ion117 膜因水分损失过多而造成的膜干涸以及膜电阻急剧上升。同时,试验还表明,空气增湿温度过高,引起空气湿度过大,带入的水分过多,以及电池在较大电流密度放电情况下,阴极反应产物水会大量增加,致使空气来不及把阴极的水分吹扫和排出,极易在阴极流场造成”电极水淹”现象,导致电池性能下降。因此,空气增湿温度一般控制在40 60 之间为宜。2.4 空气流量对电池性能的影响 图5 出示了400,6

11、70,1000 mL/min 空气流量对电池性能的影响。可以看出,空气流量为670 mL/min 时,电池性能最好。空气流量太低,阴极反应物氧气浓度降低,电池性能下降;空气流量过高,虽然会提高阴极反应物氧气的量,但,是在氧气足够满足阴极反应的情况下,仅增加氧气并不有利于电池性能的提高,相反还会引起阴极的水被大量带走,导致阴极水平衡失衡,膜电极内阻上升,电池性能下降。,3 结论,分别以Pt-Ru/C 和Pt/C 为阳极和阴极催化剂自制膜电极,组装了DMFC 单电池以及测试系统。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 电化学性能的影响。研究结果表明,空气增湿的电池性能明显好于未空气增湿的电池性能,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 e 和670 mL/min。在35 和常压条件下,当DMFC 输出电压为0.277 V 时,其输出电流密度和峰值功率密度分别可以达到142.6 mA/cm2和39.5 mW/cm2。,谢谢！,