《直接甲醇燃料电池空气阴极的研究1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直接甲醇燃料电池空气阴极的研究1.ppt（18页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
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
2、,直接甲醇燃料电池( 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
3、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
4、oray 公司生产的碳纸, 质量分数为60% 的PTFE 溶液, 碳黑( Vulcan XC-72) , 异丙醇( 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(M
5、EA) 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 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
6、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 MPa 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
7、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: 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
8、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. 6mA/ 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
9、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
10、, 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. 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
11、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, 670, 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,
12、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！,