華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2009年11月JOURNAL OF SOUTH CHINA NORMAL UNIVERSITY28屆全國化學(xué)與物理電源Nov.2009(NATURAL SCIENCE EDITION)學(xué)術(shù)年會論文選·上(增刊)文章編號:1000-5463(2009)S1-0029-04直接甲醇燃料電池運(yùn)行參數(shù)的研究劉桂成,王同濤,馬傲冬,王新東,葉鋒(北京科技大學(xué)治金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083)摘要以載量均為4mg/cm2的P-Ru黑和Pt黑分別為陽極、陰極催化劑,以碳布為擴(kuò)散層,以 Nafion115為質(zhì)子交換膜,制備膜電極,組裝直接甲醇燃料電池并通過恒電位法和交流阻抗法分別測試性能和阻抗.研究考察了各種工藝參數(shù)對電池電化學(xué)性能的影響,得出55℃下最佳工藝參數(shù)為:甲醇濃度為1.5mlL/L流量為1.5mL/min時陽極反應(yīng)達(dá)到最優(yōu),氧氣壓力在03MPa、流量在800mL/min時陰極反應(yīng)達(dá)到最佳關(guān)鍵詞:直接甲醇燃料電池;電化學(xué)性能;膜電極中圖分類號:TM114文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種通過甲醇和氧氣在兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置.2結(jié)果與討論因優(yōu)點(diǎn)顯著,其商業(yè)化備受關(guān)注12.本文制備出在較低溫度(55℃)下運(yùn)行的DMFC,考察了各種運(yùn)2.1甲醇進(jìn)料濃度對電池性能的影響行參數(shù)反應(yīng)物為甲醇和氧氣,氣體流量暫定mL/min,甲醇溶液流量暫定1.0mL/min.改變進(jìn)料1實驗濃度,結(jié)果見圖1和圖2.00101.1膜電極(MEA)的制備0005--20moL以載量均為4mg/cm2的Pt-Ru黑( JohnsonMahr公司)和Pt黑( Johnson Matthey公司)分別為陽、陰極催化劑,加入正丙醇和a( Nafion)=5%-0.010的溶液( Aldrich化學(xué)有限公司)制成漿料.以 Nafion0.0510054005700600063115膜(杜邦公司)為質(zhì)子交換膜,以PIFE膜為轉(zhuǎn)圖1通不同濃度甲醇時電池的阻抗介質(zhì),在135℃、7.2MPa熱轉(zhuǎn)壓150s,制成 Catalystig. 1 Nyquist plots of DMFC at different methanol concentrationCoated Membrane.以碳布(Toay公司)為擴(kuò)散層,陰極擴(kuò)散層使用PTFE溶液疏水處理,熱壓制成MEA 3e0.51.2電池的組裝、活化和測試04903將MEA密封在兩塊有效面積為5cm2的石墨虧02流場板中央.流場板兩側(cè)分別依次加上集流板、絕緣片和端板,夾緊組裝成電池.通入低濃度甲醇水溶液,小電流放電活化9h后,在ⅤMP型電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)(普林斯頓公司)上分別采用恒電位穩(wěn)圖2甲醇濃度與DMFC性能關(guān)系圖態(tài)極化法和交流阻抗法測試55℃下電池的性能和Fg2 The effect of methanol concentration on the performance阻抗of dMF中國煤化工收稿日期:2009-10-19CNMHG基金資助:國家863計劃資助項目(2007AA05Z150);國家自然科學(xué)基金資助項目作者簡介:劉桂成(1983-),男河北人,北京科技大學(xué)博士研究生,主要研究方向:直接甲醇燃料電池,Emil:lg67@163.com華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2009年通入的甲醇濃度為1.5mo/L時電池內(nèi)阻最min時,溶液內(nèi)阻最小.由圖6可得,氧氣流量過大小,低濃度導(dǎo)致甲醇濃差極化突出高濃度使甲醇滲可避免濃差極化,但會吹干陰極,反應(yīng)阻力增大;氧透嚴(yán)重,均降低電池性能.在低電流密度區(qū),電池放氣流量過小,濃差極化嚴(yán)重,降低電池性能.電流密電電壓因甲醇濃度增大先升后降;在高電流密度區(qū),度在400-1000m4cm2間,反應(yīng)受歐姆極化影響,甲醇濃度增大導(dǎo)致電池濃差極化嚴(yán)重,極限電流密此時800m/min的流量,電阻最小,功率密度較大度增大,放電性能提高,在大于800m/cm2的區(qū)電池電勢亦較大域,高濃度甲醇溶液電壓有大于低濃度甲醇的趨勢400 mL/min綜合可得1.5mo/L甲醇最佳2.2甲醇進(jìn)料流量對電池性能的影響005-+-10常壓下,1.5mo/L的甲醇溶液,陰極通人55℃的O2,氣體流量為800mL/min改變?nèi)芤毫髁?結(jié)N-0.014果見圖3和圖4.圖3可知,當(dāng)甲醇溶液流量為1.5Lmin時,電化學(xué)阻抗最小,可推測催化劑在這個0.045濃度和流量下反應(yīng)飽和.圖4可見,電流密度為10000540.0600.066007200780.084Bohm800m//cm2時,電化學(xué)反應(yīng)受歐姆極化的影響圖5通不同流量氧氣時電池的阻抗譜圖流量為1.5mL/L的甲醇溶液傳質(zhì)內(nèi)阻較小,因此Fig 5 Nyquist plots of DMfC at different oxygen now對應(yīng)高電流密度區(qū)的功率密度也最高.甲醇流量的提高導(dǎo)致電池濃差極化推遲極限電流密度增大,因而其放電性能提高,在大于780mA/cm2的區(qū)域,大-1 200 mu/'mi流量甲醇溶液電壓有大于小流量甲醇的趨勢.但甲醇流量過大,甲醇滲透現(xiàn)象突出.由此可得,當(dāng)流量為1.5mL/min時,電池的性能最優(yōu)0.5mu/min4008001200Current density/(mA'cm)圖6氧氣流量與DMFC性能關(guān)系圖-d-25mU/minFig. 6 The effect of oxygen flow on the performance of DMFC0.1020.3040.5Ohm2.4陰極氧氣壓力對電池性能的影響圖3通不同流量甲醇時電池的阻抗譜圖1.5mL/min的甲醇溶液流量為1.5mo/L,陰Fig 3 Nyquist plots of DMFC at different methanol flow極通55℃的O2,氣體流量為800mL/min,改變O205mU'min壓力結(jié)果如圖7和圖8.圖7可知,壓力越大陰極--20mu/min傳質(zhì)阻力越小.圖8可知,當(dāng)壓力升至0.3MPa以07H250605后使絲的投化限部紅泡在徹電流04氣以0.3MPa為最佳壓力030a2-2-02MP025050075010001250150000lrrent d4甲醇流量與DMFC性能關(guān)系圖000Fig 4 The effect of methanol flow on the performance of DMFC2.3陰極氧氣流量對電池性能的影響V凵中國煤化工20045常壓下,陽極通1.5mo/L甲醇溶液,流量為CNMHG1.5mL/min,陰極通55℃的O2改變氧氣流量,結(jié)圖7不同氧氣壓力時電池的阻抗譜圖果見圖5和圖6.由圖5可知,氧氣流量為800mL/Fig 7 Nyquist plots of DMFC at different oxygen pressure增刊劉桂成等:直接甲醇燃料電池運(yùn)行參數(shù)的研究0.2MPa醇濃度為1.5mo/L流量為1.5mLL,氧氣為0.306下EMPa、流量為800ml/min,可以實現(xiàn)電池性能的最優(yōu)化040000參考文獻(xiàn):[1]汪國雄,孫公權(quán),辛勤,等.直接甲醇燃料電池[]物理,2004,33(3);165-169.Current density/(mAcm)[2] STEFANIE A V, JOSEFIN M. Process analysis of a liq-圖8氧氣壓力與DMFC性能關(guān)系圖uid-feed direct methanol fuel cell system[J].JPowerFig 8 The effect of oxygen pressure on the performance of DMFCSources,2000,91(2):193-201[3]林才順,王新東,張紅飛,等.工藝參數(shù)對被動式DMFC電化學(xué)性能的影響[].有色金屬,2008,60(1):3結(jié)論本文提出DMFC運(yùn)行的適宜參數(shù):在55℃,甲STUDY ON THE OPERATING PARAMETERS OF DIRECT METHANOL FUEL CELLSLIU Guicheng, WANG Tongtao, MA Aodong, WANG Xindong, YE FengDepartment of Physical Chemistry, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract The membrane electrode assembly was prepared and single direct methanol fuel cell system was installed, using Pt-Ru black and Pt black as anode and cathode catalysts, Nafion 115 membrane as themembrane. The experimental results showed that when the methanol concentration is 1. 5 molL, the flow rate is 15 mL/ min, and the pressure of O, is 0. 3 MPa with the flow rate 800 mL/min, the performance of the DMFC is optimizedKey words: DMFC; electrochemical performance; MEA【責(zé)任編輯成文】中國煤化工CNMHG