直接甲醇燃料电池空气阴极的研究

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Na- fion117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,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0.581 V,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 Nafion117膜因水分损失过多而造成的膜干涸以 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,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℃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。