直接甲醇燃料动力电池空气阴极的研究

直接甲醇燃料动力电池(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:

假如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动力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JohnsonMattheyCo.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Toray公司生产的碳纸,质量分数为60%的pTFE溶液,碳黑(VulcanXC-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20mm×25mm。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1mm。密封材料为硅胶树脂或玻璃胶等。

1.3膜电极(MEA)的制备

1)Nafion117膜的预处理:在体积分数为3%的双氧水溶液中煮沸0.5h后,取出,用去离子水冲洗3次,放入2mol/L的硫酸溶液中煮沸1h,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pTFE乳液、碳黑、Nafion溶液和异丙醇水溶液混合后通过超声波处理30min,然后滴涂在2块面积为20mm×25mm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12h。

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Nafion117膜两侧,在135℃和1Mpa条件下,热压3min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(princetonAppliedReseach)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1.5mol/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个增湿器重要起空气增湿和温控用途,第2个增湿器重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,起缓冲和温控用途。从图1看出,当单电池的输出电压为0.277V时,其输出电流密度和峰值功率密度分别达到142.6mA/cm2,39.5mW/cm2。

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直接甲醇燃料动力电池空气阴极的研究

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