直接甲醇燃料電池空氣陰極的研究

圖2為空氣增濕對電池性能的影響?？梢钥?出,陰極空氣增濕對電池的穩(wěn)態(tài)電流-電壓極化曲 線有顯著影響。陰極空氣經過增濕以后的電池性 能明顯要好于未增濕的,主要原因在于空氣陰極的水平衡失衡而導致膜的質子傳輸困難,電池性 能下降。如果空氣陰極一側生成的水和陽極甲醇溶液通過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,陰極水平衡 就會被破壞,造成空氣電極一側質子交換膜失水 變干,引起膜的質子傳輸困難和膜電極結構變化 (如膜失水收縮會造成催化層和膜的接觸松動 等),導致電池性能下降。

2.3 空氣增濕溫度對電池性能的影響

圖3示出了不同空氣增濕溫度對電池V-I曲 線的影響,圖4示出了空氣增濕溫度對電池功率 密度曲線的影響。由于DMFC使用的是甲醇溶液,相對于PEMFC而言,能夠更好地保持Na- fion117膜水平衡和提高膜的導電率。關于陰極 空氣增濕溫度對電池性能影響的文獻報道并不 多,試驗中發(fā)現,空氣增濕溫度對電池性能有著較大的影響。

圖3,4表明,隨著空氣增濕溫度的提高,電池性能提高幅度較大。在其他工藝參數相同條件下, 當空氣增濕溫度為30℃時,電池開路電壓為0.581 V,電池峰值功率為10.319 mW/cm2;而當空氣增 濕溫度提高到60℃時,電池開路電壓為0.721 V, 電池峰值功率可以達到12.869 mW/cm2。增濕溫 度的提高,一方面使電池溫度上升,加快了陰極電 化學反應的速率;另一方面也使空氣獲得了較多 的水分,從而彌補了空氣帶出電池外的水分損失, 在一定程度上保證了膜電極的水平衡,避免了 Nafion117膜因水分損失過多而造成的膜干涸以 及膜電阻急劇上升。同時,試驗還表明,空氣增濕 溫度過高,引起空氣濕度過大,帶入的水分過多, 以及電池在較大電流密度放電情況下,陰極反應 產物水會大量增加,致使空氣來不及把陰極的水 分吹掃和排出,極易在陰極流場造成“電極水淹” 現象,導致電池性能下降。因此,空氣增濕溫度一般控制在40~60℃之間為宜。

2.4 空氣流量對電池性能的影響

圖5出示了400,670,1000 mL/min空氣流 量對電池性能的影響。可以看出,空氣流量為670 mL/min時,電池性能最好?？諝饬髁刻完帢O反應物氧氣濃度降低,電池性能下降;空氣流量過高,雖然會提高陰極反應物氧氣的量,但是在氧氣足夠滿足陰極反應的情況下,僅增加氧氣并不有利于電池性能的提高,相反還會引起陰極的水被大量帶走,導致陰極水平衡失衡,膜電極內阻上升,電池性能下降。

3. 結論

分別以Pt-Ru/C和Pt/C為陽極和陰極催化 劑自制膜電極,組裝了DMFC單電池以及測試系統。利用穩(wěn)態(tài)電流-電壓極化曲線法,研究了空氣 增濕、空氣增濕溫度以及空氣流量對DMFC電化 學性能的影響。研究結果表明,空氣增濕的電池 性能明顯好于未空氣增濕的電池性能,空氣增濕溫度和空氣流量的最佳運行工藝參數分別為40 ~60℃和670 mL/min。在35℃和常壓條件下, 當DMFC輸出電壓為0.277 V時,其輸出電流密 度和峰值功率密度分別可以達到142.6 mA/cm2 和39.5 mW/cm2。