第21卷第9期應(yīng)用化學(xué)Vol.21 No. 92004年9月CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRYSep. 2004f$綜合評(píng)述樂(lè)5公公公公。直接甲醇燃料電池的研究進(jìn)展韓飛劉長(zhǎng)鵬邢巍*陸天虹(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 長(zhǎng)春130022 )商要綜述了直接甲醇燃料電池( DMFC )的幾個(gè)方面研究進(jìn)展:如電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極集合體、電池結(jié)構(gòu)以及電池性能等論述了直接甲醇燃料電池的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展分析了所存在的問(wèn)題預(yù)測(cè)了DMFC的發(fā)展方向及應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞直接甲醇燃料電池 電催化劑質(zhì)子交換膜膜電極集合體電池性能綜述中圖分類(lèi)號(hào):0646文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1000-0518( 2004 )09-0865-07直接甲醇燃料電池( DMFC )以其燃料來(lái)源豐富、儲(chǔ)存方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作安全、持續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而日益受到廣泛關(guān)注預(yù)計(jì)將在小型家用電器、筆記本電腦、手機(jī)以及軍事移動(dòng)性?xún)x器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在過(guò)去的二十多年里人們對(duì)這種新型電源產(chǎn)生了巨大熱情,許多國(guó)家均對(duì)發(fā)展DMFC進(jìn)行了較大的科技投入。有關(guān)DMFC研究的報(bào)道和文獻(xiàn)很多本文對(duì)DMFC的電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極集合體、電池結(jié)構(gòu)以及性能等方面的研究進(jìn)展作如下評(píng)述。1陽(yáng)極電 催化劑1.1金屬催化劑甲醇電催化氧化的研究在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始進(jìn)行。鉑是最先被用作甲醇等有機(jī)小分子電催化氧化反應(yīng)的催化劑，也是目前最有效的單一金 屬催化劑'。研究表明甲醇在Pt上首先發(fā)生吸附,之后解離吸附生成中間體并在電催化劑的表面吸附,同時(shí)給出電子。鉑對(duì)甲醇的氧化具有較高的催化活性但其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴在鉑電極表面上氧化甲醇所需的超電勢(shì)( 0.5~0.6 V )大大超過(guò)甲醇的熱力學(xué)電勢(shì)( 0.043 V )易中毒等。鉑系的其它金屬如Au、Ag、Os、Ir、Ru、Rh、Pd等也表現(xiàn)出了一定的電催化活性[2。1.2鉑基二元或多元電催化劑為了解決單用鉑作催化劑的活性仍不高和催化劑中毒等問(wèn)題，人們對(duì)鉑基二元或多元金屬催化劑進(jìn)行了廣泛研究。經(jīng)過(guò)30多年大量工作，許多致力研究DMFC陽(yáng)極催化劑的學(xué)者一致認(rèn)為合金催化劑中催化活性:最高的是Pt-Ru合金這種合金催化劑既降低了毒化的程度，又使甲醇的氧化過(guò)電位降低約100mV。目前多數(shù)DMFC采用PtRu/C作為陽(yáng)極電催化劑對(duì)催化氧化甲醇機(jī)理的研究也比較多3]。二元合金催化劑對(duì)甲醇氧化的電催化活性好的原因還沒(méi)有定論,但多數(shù)人傾向W atanabe所提出的雙功能機(jī)理4。辛勤等5在單一或混合二元或三元醇的混 合溶液為反應(yīng)體系中制備PtRu及其它鉑基催化劑,既提高了甲醇電催化活性,又降低了成本。PtSn 催化劑是人們關(guān)注的另-類(lèi)催化劑系統(tǒng),Sn的主要優(yōu)點(diǎn)是可以在較低電位下活化水生成OH物種,這對(duì)于需要OHs以氧化CO .x 等毒化物種的甲醇氧化是有利的。通過(guò)化學(xué)還原方法制得的二元復(fù)合催化劑對(duì)甲醇的電催化氧化活性Pt-Ru> Pr-Os > Pt-Ag> Pt-Rht6]。在三組分合金催化劑中PtRuW/C對(duì)甲醇氧化表現(xiàn)出最高的活性7。PI-Ru-Sn-wW四組分催化劑半電池實(shí)驗(yàn)證明所制備的催化劑活性?xún)?yōu)于Pt催化劑8]。劉長(zhǎng)鵬等9J0]在Pt 催化劑的基礎(chǔ)上研究了多種Pt基催化劑如Pt-Cr、Pt-Sr 在Ti基體電極上修飾Pt、Ru，以及碳載的P-TiO2等催化劑對(duì)甲醇的電2003-12-23收稿2004-03-25 修回國(guó)家科技部八六三"( 2001AA323060 )國(guó)家科技部九七三"( G2000026408 )和國(guó)家自然科學(xué)基金( 20373068 )資助項(xiàng)目通訊聯(lián)氡疔鶿據(jù)男1963 年生研究員博士生導(dǎo)師; E-mail xingwei@ ciac. jl. cn ;研究方向化學(xué)電源和金屬表面電化學(xué)處理技術(shù)866應(yīng)用化學(xué)第21卷催化氧化都表現(xiàn)出了比Pt催化劑高的活性。1.3其它催化劑用金屬或金屬氧化物修飾的鉑催化劑存在的問(wèn)題之-就是表面生成的氧化物導(dǎo)電性低含稀土元素的鈣鈦礦型ABO,氧化物導(dǎo)電性能較好表面富氧對(duì)甲醇及其中間產(chǎn)物的氧化有-定活性。在ABO3氧化物中A為Sr.Ce、Sm、Pb、La等,B為Co、Pi、Pd、Ru等!川。過(guò)渡金屬卟啉類(lèi)化合物作為CO電催化氧化的催化劑也有過(guò)一些研究 如負(fù)載在活性炭上的Rh、Ir卟啉化合物在酸性介質(zhì)中對(duì)C0電催化氧化有很好的活性。從過(guò)渡金屬絡(luò)合物作為氧還原催化劑中得到啟發(fā)，認(rèn)為金屬大環(huán)絡(luò)合物高溫?zé)峤夂?金屬仍以較高價(jià)態(tài)穩(wěn)定存在的性質(zhì)會(huì)提高Pt在甲醇氧化中的催化活性12。實(shí)驗(yàn)證明這類(lèi)催化劑對(duì)于甲醇的催化活性都大于Pt。從目前的研究結(jié)果來(lái)看,由于催化劑的制備方法影響催化劑的表面積、結(jié)晶狀態(tài)和分散度等因而可以通過(guò)改進(jìn)制備方法來(lái)優(yōu)化催化劑。以PtRu合金催化劑為例制備方法可歸為兩大類(lèi),即膠體化學(xué)法13]和共沉淀法[14。此外邢巍等I51已經(jīng)申請(qǐng)化學(xué)還原和溶膠凝膠法等制備催化劑方法的專(zhuān)利均能夠有效控制催化劑的粒徑獲得性能較好的催化劑。2陰極電催化劑隨著DMFC越來(lái)越受到重視并開(kāi)始向?qū)嵱没较虬l(fā)展研制具有耐甲醇能力的陰極電催化劑就更加必要。利用不同方法制備不同類(lèi)型的本體或負(fù)載型Pt合金催化劑綜合研究其催化氧還原活性和耐甲醇能力并通過(guò)各種表征手段研究和分析其合金效應(yīng)探求性能優(yōu)越的DMFC陰極電催化劑。這里介紹DMFC陰極電催化劑的發(fā)展歷史和最新研究進(jìn)展。2.1鉑催化劑對(duì)于氧陰極還原催化劑的研究遠(yuǎn)沒(méi)有陽(yáng)極的那樣活躍。這主要是因?yàn)镻VC是目前DMFC主要使用的陰極電催化劑盡管在動(dòng)力學(xué)上氧的還原還是較慢的步驟,以及易于被甲醇所毒化,但因?yàn)槠浯呋踹€原的活性和穩(wěn)定性較高所以在已有的關(guān)于DMFC性能的報(bào)道中絕大部分使用的陰極催化劑都是PV/C。與陽(yáng)極催化劑的發(fā)展相似最初所采用的陰極催化劑就是Pt。Chu 等16研究了CH,OH對(duì)光滑Pt電極催化O2還原性能的影響結(jié)果表明,CH,OH濃度越高對(duì)02還原的影響越大。當(dāng)CH3O0H濃度為1 mol/L 時(shí)02還原的起始電位負(fù)移約0.3 V。由此可見(jiàn),Pt 是耐甲醇能力很差的DMFC陰極電催化劑。因此改善P/C催化劑的耐甲醇能力將是一一個(gè)具有一 定 理論意義和較高實(shí)用價(jià)值的研究課題。2.2鉑合 金催化劑20世紀(jì)70年代末,United Technologies Fuel Cell Operation! 17-19]首先研制了二元鉑合金催化劑Pt-V、Pt-Cr三元鉑合金催化劑Pt-Cr-Co其比活性高于純Pt。此后，有關(guān)氧陰極鉑合金催化劑的研究越來(lái)越多二元合金有Pt-Ti、Pt-Cr、PI-Ru等。此外還有Pt和金屬氧化物的復(fù)合催化劑(如Pt-WO3 )三元合金有Pt-Fe-Co、Pt-Co-Ga、Pt-Cr-Cu等。合金中的Pt粒徑-般都比單體Pt的大,因而其比表面積也相應(yīng)較低而對(duì)氧還原的電催化活性都不同程度地高于單體Pt 20]。雖然有關(guān)Pt合金催化劑的研究已有二十多年的歷史,但對(duì)其催化O2還原活性提高的原因仍不十分清楚。Pt-Pt 原子間距與M- -0H2ad 鍵(分子O2還原決速步中形成的中間體)的強(qiáng)度相關(guān)合金會(huì)導(dǎo)致晶格收縮在保持最佳Pt電子狀態(tài)的同時(shí)獲得最佳的Pt-Pt 間距實(shí)現(xiàn)O2的解離吸附。迄今為止將Pt合金用作DMFC陰極催化劑或研究其耐甲醇性能的報(bào)道還很少。將Pt-Co/C、Pt-Cr/C、Pt-Ni/C、Pt-Co-Cr/C、P1-Co-Ni/C應(yīng)用于DMFC的陰極,合金催化劑的活性都高于單獨(dú)的PV/C ,其中P1-Co/C 活性最高211。通過(guò)半電池研究了在H2SO4/CH3OH中Pt和PtoNiso催化O2還原的性能結(jié)果表明,PtroNi3o 催化O,還原的活性和耐甲醇能力都顯著優(yōu)于P422]。2.3過(guò)渡 金屬大環(huán)化合物催化劑這類(lèi)研究是以Fe、Co為中央金屬的酞菁和卟啉等大環(huán)化合物為主。催化機(jī)理被認(rèn)為是在過(guò)渡金屬大環(huán)化合物中含有MeN,(Me為過(guò)渡金屬)結(jié)構(gòu)單元231。這類(lèi)物質(zhì)對(duì)氧還原的電催化活性較高,由于甲醇透跡向題曰益突出使得對(duì)該類(lèi)催化劑的研究有所增多。但由于在大環(huán)化合物催化氧還原的過(guò)第9期韓飛等直接甲醇燃料電池的研究進(jìn)展程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的H2O2破壞催化劑的結(jié)構(gòu);同時(shí)該類(lèi)催化劑的制備比較困難穩(wěn)定性較差,活性較低阻礙了其實(shí)用性。因此將高催化活性的Pt催化劑與耐甲醇性能較好的金屬大環(huán)化合物催化劑24]復(fù)合使用,有助于提高活性。另外提高大環(huán)化合物的長(zhǎng)程穩(wěn)定性和內(nèi)在活性是該類(lèi)催化劑的研究方向。2.4過(guò)渡金屬原子簇合物催化劑.過(guò)渡金屬簇合物催化劑主要為Moc_.M,X&( X為Se、Te、SeO、S等,M為Os、Re、Rh、Ru等)。對(duì)該類(lèi)催化劑催化氧還原機(jī)理的研究表明251簇合物中過(guò)渡金屬的協(xié)同作用,有較多的弱態(tài)d態(tài)電子以及與氧的鍵合作用是催化劑作用的主要機(jī)理。過(guò)渡金屬簇合物催化劑除活性較高、成本較低以外在甲醇存在時(shí)對(duì)氧的還原有很好的選擇性。人們正將其作為-類(lèi)有希望的耐甲醇氧還原電催化劑來(lái)研究。3質(zhì)子交換膜3.1全氟磺酸膜60年代全氟磺酸膜的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了DMFC的發(fā)展。目前應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)質(zhì)子 交換膜為幾種全氟膜:NAFION* 膜(美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)) ;DOW膜(道爾公司生產(chǎn)) ;ACIPLEX-SR膜(日本的ASAHI公司產(chǎn)品)這3種膜的物性參數(shù)列入表1。專(zhuān)1 幾種質(zhì)子交換膜的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters for some proton exchange membranesMembraneE( g/mols so3- ) Thickness of dry membrane/ μmWater content/%Proton conductivity/( S. cm -1 )DOW12554.114Aciplex-S1 000120↓30. 108Nafion100340. 059分析了這- -系列膜的性能后發(fā)現(xiàn),DOW膜和Aceiplex-S膜性能已達(dá)到應(yīng)用的水平,且都比Nafion115好而氧還原動(dòng)力學(xué)過(guò)程則是ACIPLEX-S和Nafion膜比DOW膜好。Aciplex-S 和DOW膜有相近的質(zhì)子電導(dǎo)但Nafion 膜要比它們低許多。另外這幾種膜的成本都很高,-般在800美元/m2工作時(shí)會(huì)分解出含氟的有毒物質(zhì),它們的電池工作壽命可達(dá)60 000 h ,但一般都存在嚴(yán)重的甲醇透過(guò)問(wèn)題26。3.2非氟的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜非氟的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜通常是本身沒(méi)有質(zhì)子傳導(dǎo)能力的需要在碳?xì)渚酆衔锷线M(jìn)行磺酸化使其接上有質(zhì)子傳導(dǎo)能力的磺酸基團(tuán)27]這種等離子體能夠抑制甲醇污染維持膜的質(zhì)子導(dǎo)電率。有較好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。與Nafion膜相比甲醇透過(guò)量更低質(zhì)子傳導(dǎo)能力與磺酸化程度相關(guān)。另一種非氟的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜的制備方法是以碳-氫聚合物基質(zhì)作為骨架吸附大量的高濃度的無(wú)機(jī)酸,以此來(lái)傳導(dǎo)質(zhì)子。基質(zhì)本身無(wú)導(dǎo)質(zhì)子能力,依靠摻雜的小分子傳導(dǎo)質(zhì)子,最主要的代表體系是聚苯并咪唑(PBI)H,PO,系列。先把PBI制成膜之后成品膜浸泡在高濃度(11mol/L)的磷酸溶液中酸化或者先把濃磷酸與PBI液態(tài)聚合物混勻再壓制成膜。該膜具有特別好的耐高溫性能且有良好的電導(dǎo)率電滲系數(shù)幾乎為零質(zhì)子傳遞不攜帶水分子并具有較低的甲醇透過(guò)率( 28]。3.3改性的 Nafion膜.通過(guò)添加無(wú)機(jī)成分,可以改變膜的玻璃化溫度提高電極的熱壓溫度和電池的工作溫度降低甲醇的透過(guò)率提高電池的性能。改性的Nafion 膜主要有Nafion/SiO2 復(fù)合膜以及添加雜多酸的Nafion/ SiO2復(fù)合膜(9],Cs*修飾Nafion膜30]電子束處理表面的Nafion膜31。邢巍等32用化學(xué)還原沉積法在膜內(nèi)制得了鈀原子族利用鈀對(duì)氫的特性吸附得到的復(fù)合膜不但使甲醇透過(guò)大大降低,而且質(zhì)子電導(dǎo)也有所增大。綜合各方面的因素在未來(lái)出現(xiàn)的質(zhì)子交換膜將必須具有以下特點(diǎn):非氟膜或含氟盡量少燃料透過(guò)最少高濫時(shí)你能有高的電導(dǎo)及好的機(jī)械強(qiáng)度成本要低廉。868應(yīng)用化學(xué)第21卷4膜電極的形態(tài)和組成對(duì)電池性能的影響DMFC的核心部分是膜電極集合體( membrane electrode assembly MEA )優(yōu)化制備工藝提高性能的同時(shí),以求減少電極催化劑的載量簡(jiǎn)化制備工藝及裝置，從而降低成本。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究比較多但系統(tǒng)報(bào)道的比較少這里從制備方法和過(guò)程以及催化劑層的組成等方面綜述了MEA的形態(tài)組成對(duì)電極性能影響的研究情況。4.1電極的制備方法MEA的制備工藝決定了電極的結(jié)構(gòu)和形態(tài)影響電池的性能。通常的MEA由5部分組成:陰極擴(kuò)散層、陰極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陽(yáng)極催化劑層、陽(yáng)極擴(kuò)散層。對(duì)于MEA的制備已有多種制備方法和工藝按制備環(huán)境來(lái)分制備工藝可分為干法如滾壓法[ 3( DLR方法)濺射法34]等與濕法其中濕法較為常用。按催化層的制備方法的不同又可分為涂膏法、澆注法、刮涂法、電化學(xué)催化法及直接催化方法。干法制備對(duì)設(shè)備要求和技術(shù)要求都比較高,因此濕法仍是人們研究的重點(diǎn)。最常用的就是涂膏法即將催化劑與分散劑、粘結(jié)劑-般是聚四氟乙烯PTFE )等混合在-起制成膏狀然后涂在擴(kuò)散層上。Wilson等[35]則直接將催化劑膏狀的混合物涂到質(zhì)子交換膜上。這種直接催化劑方法電極性能提高的主要原因是增加了催化劑與膜之間界面的連續(xù)性催化劑層較薄使反應(yīng)氣體能夠較好地?cái)U(kuò)散到催化劑上，從而提高了催化劑的利用率。由電池的阻抗可以證明，直接催化劑方法制備的電池的零電流電阻要小的多36]。為了提高電極性能在催化層涂上一薄層鉑催化劑[37]。這樣不僅降低了電極的歐姆過(guò)電位，也減少了由于物質(zhì)傳輸引起的過(guò)電位。陽(yáng)極薄層具有-定的親水性有助于甲醇的傳輸。同時(shí)陰極增加的薄層當(dāng)中由于含有Pit-Ru催化劑使由陽(yáng)極擴(kuò)散的甲醇先在薄層當(dāng)中氧化，對(duì)于甲醇滲透問(wèn)題是一個(gè)比較有效的解決方法;另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電極與膜不容易發(fā)生脫層現(xiàn)象[38]。韓飛等39]采用催化劑為PV/C、PtRu/C加入分散劑和PTFE乳液,分散及機(jī)械攪拌后將混合物轉(zhuǎn)移到絲網(wǎng)上通過(guò)刮涂均勻地轉(zhuǎn)移到碳紙上這樣催化劑分布均勻可以快速、大量制備各種面積的電極減少電極的鉑載量使電極制造成本顯著降低,比采用涂膏法制備的電極性能高出20% ~ 40%。由以.上方法看出所有方法的目的都是盡量增大催化劑的有效面積提高催化劑利用率,使催化劑盡量分布在與膜或者質(zhì)子導(dǎo)體與氣體接觸的地方形成較大的三相反應(yīng)區(qū)。保持MEA具有通暢的電子通道、氣體通道和質(zhì)子通道從而減少電池內(nèi)阻、提高性能。4.2催化劑層 中組分的影響4.2.1Nafion的影響催化劑鉑利用率低的主要原因是鉑粒子半徑太大,與反應(yīng)物不能很好的接觸;與質(zhì)子膜不能直接接觸的鉑粒子也不具有催化活性。DMFC的MEA的結(jié)構(gòu)與-般的化學(xué)電源中的氣體擴(kuò)散電極有很大差異,由于電解質(zhì)為固態(tài)的離子聚合物而非電解質(zhì)溶液,因而不能借助于溶液表面的張力使電解質(zhì)滲入到電極內(nèi)部形成三維反應(yīng)區(qū)。因此電解質(zhì)與催化劑之間的接觸就受到限制,有效的反應(yīng)區(qū)僅僅限于膜與電極接觸緊密的地方。為了提高鉑的利用率,許多研究都致力擴(kuò)大催化層中離子聚合物與催化劑顆粒之間的接觸面積即擴(kuò)展三維反應(yīng)區(qū)形成H+、電子和反應(yīng)氣體的連續(xù)通道。同時(shí)要改善質(zhì)子交換膜中聚合物與催化層聚合物的界面連續(xù)性減少各種傳遞過(guò)程的阻力40]。添加Nafion的作用主要是作為質(zhì)子傳導(dǎo)劑但過(guò)多Nafion粉末會(huì)因氣體向催化劑擴(kuò)散受阻而降低電極性能。通過(guò)研究Nafion含量對(duì)電池動(dòng)力參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn),Nafion 含量對(duì)E0的影響規(guī)律是先增大后減少在Nafion含量為33%時(shí)達(dá)到最大值與之相反的是電池的內(nèi)阻R隨著Nafion 含量的增加先減少而后增大[41]。Nafion 首先滲到電極的孔隙中而達(dá)到飽和時(shí)在電極表面形成- - 層膜是增加電極阻抗的一個(gè)主要原因。Nafion在催化劑層中的含量由于孔隙度、電解質(zhì)內(nèi)阻的影響,可以改變活化表面積,導(dǎo)致了催化劑有效利用率的改變。Nafion在催化劑層中對(duì)孔隙度、內(nèi)阻、動(dòng)力學(xué)參數(shù)、催化劑的利用率等的影響均存在最佳值。在MEA中引入Nafion增加了催化劑層的質(zhì)子傳導(dǎo)增強(qiáng)了質(zhì)子傳導(dǎo)的連續(xù)性擴(kuò)大了反應(yīng)的三相區(qū)域提高了催化劑的利用率。但過(guò)多的Nafion對(duì)于物質(zhì)在電極中的傳導(dǎo)起負(fù)作用。為了平衡這一矛盾 需要使Nafion分布適當(dāng)能夠與催化劑有效接觸同時(shí)避免在各個(gè)工藝中破壞Nafion并且控制輿達(dá)到最佳含量[42]。第9期韓飛等直接甲醇燃料電池的研究進(jìn)展8694.2.2 PTFE 的影響在 電極的制備過(guò)程中,有些電極尤其是陰極需要加入一定量的PTFE。其作用主要是作為粘結(jié)劑和防水劑合適含量可以提高電池的性能431。另-方面其存在也阻礙了反應(yīng)物向催化劑層的擴(kuò)散和質(zhì)子的傳導(dǎo)導(dǎo)致金屬鉑催化劑利用率的降低并且電阻增加。此外在陽(yáng)極薄層中加入適量的PTFE有助于防止甲醇由陽(yáng)極向陰極擴(kuò)散。因此合適的含量有助于提高電極的性能其含量主要從孔隙率、內(nèi)阻、催化劑的利用率以及防水的需要來(lái)確定41。5電池結(jié)構(gòu)在直接甲醇燃料電池中要使液體反應(yīng)物甲醇及時(shí)進(jìn)入到電池中并充分迅速到達(dá)電極表面,以滿(mǎn)足電化學(xué)反應(yīng)的需要并且增濕氣體使膜得到最佳的水合同時(shí)能夠保證陽(yáng)極產(chǎn)物CO2氣體和陰極產(chǎn)物水及時(shí)排出避免電極被產(chǎn)物包圍保證反應(yīng)物與電極的接觸,對(duì)于得到良好的電池性能是十分重要的。以上所述均與電池雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)。目前,已有的關(guān)于電池結(jié)構(gòu)方面的文獻(xiàn)不是很多。綜合說(shuō)來(lái)常見(jiàn)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一般有3種:傳統(tǒng)流場(chǎng)”蛇形”流場(chǎng)”交指”流場(chǎng)等(如圖la、1b、1c箭頭為物料傳輸方向)。咖利圖1傳統(tǒng)a)",蛇形”( b)和交指"( c )流場(chǎng)圖Fig. 1 ( a )Conventional flowfield ,( b )serpentine flowfield and ( c )interdigitated flowfield事實(shí)上多數(shù)小型DMFC所采用的流場(chǎng)基本都是所謂蛇形”結(jié)構(gòu)",蛇形”結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的- -種變形。在這種結(jié)構(gòu)中反應(yīng)物被強(qiáng)制進(jìn)入平行的通道這種流場(chǎng)在電池組中得到廣泛的使用451。Nguyen等46研究出交指”流場(chǎng),以及Aric6等471的實(shí)驗(yàn)表明采用該類(lèi)型流場(chǎng)的電池最大輸出功率比采用傳統(tǒng)意義上的蛇形”流場(chǎng)要高這主要是因?yàn)榻恢浮绷鲌?chǎng)提高了物料的傳輸流量。在電流密度為1000 mA/cm2時(shí)”,交指”流場(chǎng)電池的電壓比蛇形”流場(chǎng)高0.15 V左右功率密度要高0.1 W左右。但與蛇形”流場(chǎng)相比”,交指”流場(chǎng)電池在高溫運(yùn)行過(guò)程中存在兩方面需要注意的問(wèn)題:甲醇的透過(guò)率較高將導(dǎo)致電壓降低合適的甲醇濃度將會(huì)提高陽(yáng)極的電化學(xué)效率和傳輸效率;但另-方面使質(zhì)子交換膜有了較好的增濕度,使離子電導(dǎo)變小,從而提高電池性能。Wilson等48'的研究表明與傳統(tǒng)流場(chǎng)使氣體反應(yīng)物流經(jīng)電極表面相比這種設(shè)計(jì)使反應(yīng)物和產(chǎn)物氣體在電極上的傳入和傳出由擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流控制,因此”,交指”流場(chǎng)更容易使氣體排出。另外,Wood 等45研究表明"，交指”流場(chǎng)的強(qiáng)制流通特性使得氣體存在的剪切力能夠帶走通常進(jìn)入電極內(nèi)層的水電池能夠更有效地處理液態(tài)水和反應(yīng)氣體的流動(dòng)從而能夠解決電極的水淹”問(wèn)題491?？偟膩?lái)說(shuō)"，交指”流場(chǎng)更有利于電池整體性能的提高將成為以后DMFC結(jié)構(gòu)的主要研究方向。6電池性能目前,DMFC絕大多數(shù)陽(yáng)極和陰極分別使用PtRu/C和PV/C催化劑,且含量都較高陰極載量在4 x10-3 g/cm2以上陽(yáng)極載量在1 x10-3 ~4x10-3 g/em之間。使用Nafion系列膜,以117和112膜為主,甲醇濃度- -般為2 mol/L電池的工作溫度在90 C和110 C之間單體電池面積為25 cm2。90 C時(shí)最大的輸出功率密度可以達(dá)到0.2 W/ cm2。但溫度升高性能也提高，可以達(dá)到0. 35 W/cm2左右。大功率電池組的報(bào)道較據(jù)最大達(dá)到500 W。電池性能比較列入表2。870 .應(yīng)用化學(xué)第21卷表2幾種直接 甲醇燃料電池性能的比較Table 2 Comparison of performance of different DMFCsMembrane10一3 Loading ofMethanolOxidantActive area of 10 一3 Outpat power/1/C Ref.catalyst/( g" cm-2 )concentrationMEA/cm2( W. cm-2)Nafion112 PtRu/(4) 40%PV/((1.3) 3 mlL/mir(2 mol/L) 15 psi dry air 600 sccm5210950Nafion112PIRu/C ,PVC5%( mass fraction )air 5 000 mL/ min2:210 35090 11051Nafion117 PtRu/Q 1.46) Pv(4.6)1 mol/LO2 air10 2009052Nafionl15 PtRu/Q[3.9) ,P/Q( 2.3)1.5 atm air1447lcells .50 5007(63Nafion117PtRu/C ,PVQ( 1.2)2mol/L0.77 atm air45 Scells .24660Nafionl 17PIRu/Q(4 ) ,PV/C0.5 mol/L4~5 atm abs50 20055從以.上結(jié)果可以看出,目前有些DMFC的單體性能已達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平,只是電池的工作條件(加熱、高壓等)還相對(duì)不容易實(shí)現(xiàn)。-些必要的輔助設(shè)施的使用增大了其體積和重量在很大程度上限制了這類(lèi)電池的發(fā)展和應(yīng)用。今后這類(lèi)電池應(yīng)注意多元化研究,以促進(jìn)其早日實(shí)用化。參考文獻(xiàn)1 Adzic R R 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