華南師范大學學報(自然科學版)2009年11月JOURNAL OF SOUTH CHINA NORMAL UNIVERSITY第28屆全國化學與物理電源Nov. 2009(NATURAL SCIENCE EDITION)學術(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(北京科技大學治金與生態(tài)工程學院,北京10083)摘要:以載量均為4 mg/cm2的Pt- Ru黑和Pt黑分別為陽極、陰極催化劑,以碳布為擴散層,以Naficn115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)對電池電化學性能的影響,得出55 C下最佳工藝參數(shù)為:甲醇濃度為1.5 mol/L、流量為1. 5mL/min時陽極反應達到最優(yōu),氧氣壓力在0.3 MPa.流量在800 mL/min時陰極反應達到最佳.關(guān)鍵詞:直接甲醇燃料電池;電化學性能;膜電極中圖分類號:TM11.4文獻標識碼: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)生氧化還原反應產(chǎn)生電能的裝置.2結(jié)果與討論因優(yōu)點顯著,其商業(yè)化備受關(guān)注[1-21.本文制備出2.1甲醇進料濃 度對電池性能的影響在較低溫度(55 C)下運行的DMFC,考察了各種運反應物為甲醇和氧氣,氣體流量暫定800行參數(shù).mL/min,甲醇溶液流量暫定1. 0 mL/min.改變進料濃度,結(jié)果見圖1和圖2.1實驗.015p -- 1.0mol/L0.010- -- 1.5 mol/L1.1膜電極( MEA)的制備0.005-- 2 0 mol/L以載量均為4 mg/cm' 的Pt - Ru黑( Johnson0.000Matthey公司)和Pt黑(Johnson Matthey 公司)分別N -0.005-0.010為陽、陰極催化劑，加入正丙醇和w( Nafion) =5%的溶液( Aldrich化學有限公司)制成漿料.以Nafion-0.010.051 0.054 0.057 0.060 0.063Z'/ohm115膜(杜邦公司)為質(zhì)子交換膜，以PTFE膜為轉(zhuǎn)圖1通不同濃 度甲醉時電池的阻抗介質(zhì),在135 C 7.2 MPa熱轉(zhuǎn)壓150 s,制成CatalystFig.1 Nyquist plots of DMFC at dferent methanol concentation- Coated Membrane. 以碳布(Toray公司)為擴散層，- L.0mol/L陰極擴散層使用PTFE溶液疏水處理,熱壓制成0.6-- 1.5 mol/L+40室i -- 2.0mol/LMEAI.弓0.5H30P 0.41.2電池的組裝 、活化和測試-20g 0.3-將MEA密封在兩塊有效面積為5 cm2的石墨元0.2-流場板中央.流場板兩側(cè)分別依次加上集流板、絕. 0.1緣片和端板,夾緊,組裝成電池.通入低濃度甲醇水0.，0 200 400 600 800 0002000Current density/(mA^cm)溶液,小電流放電活化9 h后,在VMP2型電化學綜合測試系統(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55C下電池的性能和Fig.2 The efect of methanol concentation on the performance阻抗of DMFC收稿日期: 2009-10-19基金資助:國家863計劃資助項目(2007 AA05Z150) ;國家自然科學基金資助項目(50528404)作者簡介:劉桂成(1983 - ) ,男,河北人,北京科技大學博士研究生,主要研究方向:直接甲醇燃料電池, Email:!og67@ 163. com.30華南師范大學學報(自然科學版)2009年通人的甲醇濃度為1.5 mol/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,但會吹千陰極,反應阻力增大;氧透嚴重,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400~1000mA/em2間,反應受歐姆極化影響,甲醇濃度增大導致電池濃差極化嚴重,極限電流密此時800 mL/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800 mA/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. 5 mol/L甲醇最佳.0.045卜- 1200mLUmin2.2甲醇進料流量對電池性能的影響0.030 t -←- 1400mL/mn常壓下,1.5 mol/L的甲醇溶液,陰極通人55 C0.015的02 ,氣體流量為800 mL/min.改變?nèi)芤毫髁?結(jié)N -0.015果見圖3和圖4.圖3可知，當甲醇溶液流量為1.5-0.030mL/min時,電化學阻抗最小，可推測催化劑在這個-0.0450.054 0.060 0.066 0.072 0.078 0.084濃度和流量下反應飽和.圖4可見,電流密度為100~800mA/cm2*時,電化學反應受歐姆極化的影響,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 diferent oaxygen flov對應高電流密度區(qū)的功率密度也最高.甲醇流量的-- 400mL/min提高導致電池濃差極化推遲,極限電流密度增大,因-- 800 mL/min-- 1000 mUmin而其放電性能提高,在大于780 mA/cm2的區(qū)域,大-- I 200 mL/min流量甲醇溶液電壓有大于小流量甲醇的趨勢.但甲0.640號醇流量過大,甲醇滲透現(xiàn)象突出。由此可得,當流量為1.5mL/min時,電池的性能最優(yōu)03-0.2-10復0.10-1- 0.5 mL/minCurent density/(mA.cm)員0.05+- 1.0mLmin1.5 mL/min圖6氧氣流量與DMFC性能關(guān)系圖一2.0mL/min0.00 ------.3“--“-Fig.6 The efet of oxygen flow on the performance of DMFC0.1 0.2_ 0.3 0.4 0.52.4陰極氧氣壓力對 電池性能的影響Z'/ohm1.5 mL/min的甲醇溶液流量為1.5 mol/L,陰.圖3通不同流量甲 醇時電池的阻抗譜圖Fig.3 Nyquist plots of DMFC at diferent methanol flow極通55 C的02,氣體流量為800 mL/min, 改變O2中05mUmin壓力,結(jié)果如圖7和圖8.圖7可知,壓力越大陰極- 10m/mp中- 20mL/mm傳質(zhì)阻力越小.圖8可知,當壓力升至0.3 MPa以0.7干+25mUmin后,性能提升很少,催化劑基本飽和.大電流區(qū)時,0.6 tl 400.5，陽極的傳質(zhì)極化限制了電池性能的提高.所以,氧0.4-t 20氣以0. 3 MPa為最佳壓力.色0.2--1- 02MPa0.0意0.02-.- 0.3MPa.) 250 500 750 1000 1250 15000.01Current density/(mA.cmi ); 0.圖4甲醇流量與DMFC性能關(guān)系圖-0.01 tFig. 4 The efeet of methanol flow on the performance of DMFC2.3 陰極氧氣流量對電池性能的影響-0.020.033 0.036 0.039 0042 0.045常壓下,陽極通1.5 mol/L甲醇溶液,流量為Z'ohm圖7不同氧氣壓 力時電池的阻抗譜圖1.5 mL/min,陰極通55 C的02.改變氧氣流量,結(jié)Fig.7 Nyquist plots of DMFC at diferent oxygen pressure果見圖5和圖6.由圖5可知,氧氣流量為800 mL/增刊劉桂成等:直接甲醇燃料電池運行參數(shù)的研究31--- 0.1 MPa醇濃度為1.5 mol/L、流量為1.5 mL/L,氧氣為0. 3-n- 0.2MPa0.7MPa、流量為800 mL/min,可以實現(xiàn)電池性能的最優(yōu)0.6{120官化S 0.500 :0.40.360參考文獻:40司0.220[1] 汪國雄,孫公權(quán),辛 勤,等.直接甲醇燃料電池[]].0.10.0700 1400 2 108003504200物理, 2004 ,33(3): 165 - 169.[2] STEFANIE A v, JOSEFIN M. Process analysis of a liq-Current density(mA.cm)uid - feed direet methanol fuel cell system[J]. J Power圖8氧氣壓力與DMFC性能關(guān)系圖Sources, 2000,91(2): 193 -201.Fig.8 The effect of oxygen pressure on the performance of DMFC[3] 林才順,王新東,張紅飛,等.工藝參數(shù)對被動式DM-FC電化學性能的影響[J].有色金屬, 2008 ,60(1):3結(jié)論90 -92.本文提出DMFC運行的適宜參數(shù):在55 C,甲.STUDY ON THE OPERATING PARAMETERS OF DIRECT METHANOL FUEL CELLSLIU Guicheng, WANG Tongtao, MA Aodong, WANG Xindong, YE Feng(Department of Physical Chenmistry, Univenity of Science and Technology Beiig. Beiing 10083 ,China)Abstract: The membrane electrode assembly was prepared and single direct methanol fuel cell system was in-stalled, using Pt- Ru black and Pt black as anode and cathode catalysts, Nafion 115 membrane as the electrolytemembrane. The experimental results showed that when the methanol concentration is 1.5 mol/L, the flow rate is 1.5 mL/min, and the pressure of O2 is 0. 3 MPa with the flow rate 800 mL/min, the performance of the DMFC is op-timized.Key words: DMFC; electrochemical performance; MEA[責任編輯成文]