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(chǔ)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(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,其顯著優(yōu)點(diǎn)是:甲醇燃料來源豐富,成本低廉,能密度較高,電池工作時(shí)燃料直接進(jìn)料,無需重整處理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 響應(yīng)時(shí)間短,操作方便,易攜帶和儲(chǔ)存,是便攜式 電子設(shè)備、移動(dòng)電話、攝像機(jī)和電動(dòng)汽車?yán)硐氲膭?dòng)力源,被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的電池, 從而受到了極大關(guān)注。

根據(jù)DMFC工作原理,水在空氣陰極生成, 其反應(yīng)式為:

如果空氣陰極一側(cè)生成的水和陽極甲醇溶液通過 Nafion膜擴(kuò)散到陰極上的水不足以彌補(bǔ)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(cè)質(zhì)子交換膜失水變干,引起電池內(nèi)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(yùn)行。為此,著重研究了常溫常壓條件下,以甲醇液體作陽極燃料、以空氣為氧化劑,不同運(yùn)行工藝參數(shù),如空氣增濕、空氣流量以及空氣增濕溫度對(duì)直接甲醇燃料電池電化學(xué)性能的影響。

1. 試驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

陽極和陰極催化劑分別為英國(guó)Johnson Matthey Co.生產(chǎn)的Pt-Ru/C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%) 和Pt/C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%),美國(guó)杜邦公司生產(chǎn) 的Nafion117膜和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Nafion溶 液,日本Toray公司生產(chǎn)的碳紙,質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)子流動(dòng)計(jì),XMTB型數(shù)顯溫控 恒溫箱,REX-C700型數(shù)控加熱器,ACO-318型 空氣泵以及VMP2型電化學(xué)綜合測(cè)試儀(美國(guó)普 林斯頓公司)。

1.2 流場(chǎng)板的制作

陰、陽極流場(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(shè)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 硅膠樹脂或玻璃膠等。

1.3 膜電極(MEA)的制備

1) Nafion117膜的預(yù)處理:在體積分?jǐn)?shù)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,接著用去離子水沖洗數(shù)次后留在去離子水中備用。

2) 擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散層和催化層的碳紙分別置于處理過的Nafion 117 膜兩側(cè),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(cè)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(cè)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(cè)溫。其性能在電化學(xué)綜合測(cè)試系 統(tǒng)VMP2(Princeton Applied Reseach)上測(cè)量。反應(yīng)物為甲醇和空氣,反應(yīng)條件為常溫、常壓。

2. 結(jié)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 和功率密度曲線。活化試驗(yàn)條件:膜電極放入電 池測(cè)試裝置中,陽極通甲醇溶液,接著停止蠕動(dòng)泵 運(yùn)轉(zhuǎn),讓靜止甲醇溶液緩慢擴(kuò)散;陰極利用空氣自 然擴(kuò)散,然后在35℃下,小電流密度放電運(yùn)轉(zhuǎn)9 h。其性能測(cè)試試驗(yàn)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)過空氣流量 計(jì),進(jìn)入第1個(gè)增濕器。當(dāng)空氣增濕以后,接著進(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(dāng)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(dá)到142.6 mA/cm2,39.5 mW/cm2。