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)中的化學能直接轉化為電能的發電裝置,其顯著優點是:甲醇燃料來源豐富,成本低廉,能密度較高,電池工作時燃料直接進料,無需重整處理,結構簡單, 響應時間短,操作方便,易攜帶和儲存,是便攜式 電子設備、移動電話、攝像機和電動汽車理想的動力源,被認為是最有可能實現商業化應用的電池, 從而受到了極大關注。

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性能的影響。

1. 試驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

陽極和陰極催化劑分別為英國Johnson Matthey Co.生產的Pt-Ru/C(質量分數為90%) 和Pt/C(質量分數為40%),美國杜邦公司生產 的Nafion117膜和質量分數為10%的Nafion溶 液,日本Toray公司生產的碳紙,質量分數為 60%的PTFE溶液,碳黑(Vulcan XC-72),異丙 醇(化學試劑),飽和甘汞電極,BT01-100型蠕動 泵,LZB型液體轉子流動計,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型電化學綜合測試儀(美國普 林斯頓公司)。

1.2 流場板的制作

陰、陽極流場板均采用石墨板,其流場尺寸為 20 mm×25 mm。利用流場雕刻設備在石墨板上制作單通道蛇形流場及密封槽,其中單通道蛇形流場槽深、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, 使其質子化,接著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的Nafion 117 膜兩側,在135℃和1 MPa條件下,熱壓3 min后 得到一個由甲醇電極、空氣電極和電解質膜組成 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 和功率密度曲線。活化試驗條件:膜電極放入電 池測試裝置中,陽極通甲醇溶液,接著停止蠕動泵 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,陰極為自然空氣進料。

陰極空氣由小型空氣泵輸送,經過空氣流量 計,進入第1個增濕器。當空氣增濕以后,接著進 入第2個增濕器,最后進入電池陰極,其中2個增 濕器的溫度均由恒溫水浴槽控制。第1個增濕器 主要起空氣增濕和溫控作用,第2個增濕器主要 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,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。