直接甲醇燃料电池运行参数的研究

华南师范大学学报(自然科学版)2009年11月JOURNAL OF SOUTH CHINA NORMAL UNIVERSITY第28届全国化学与物理电源Nov. 2009(NATURAL SCIENCE EDITION)学术年会论文选.上(增刊)文章编号: 1000 - 5463(2009)S1 -0029 -04直接甲醇燃料电池运行参数的研究刘桂成，王同涛,马傲冬，王新东，叶锋(北京科技大学治金与生态工程学院,北京10083)摘要:以载量均为4 mg/cm2的Pt- Ru黑和Pt黑分别为阳极、阴极催化剂,以碳布为扩散层,以Naficn115为质子交换膜,制备膜电极,组装直接甲醇燃料电池并通过恒电位法和交流阻抗法分别测试性能和阻抗.研究考察了各种工艺参数对电池电化学性能的影响,得出55 C下最佳工艺参数为:甲醇浓度为1.5 mol/L、流量为1. 5mL/min时阳极反应达到最优,氧气压力在0.3 MPa.流量在800 mL/min时阴极反应达到最佳.关键词:直接甲醇燃料电池;电化学性能;膜电极中图分类号:TM11.4文献标识码:A直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种通过甲醇和氧气在两极发生氧化还原反应产生电能的装置.2结果与讨论因优点显著,其商业化备受关注[1-21.本文制备出2.1甲醇进料浓 度对电池性能的影响在较低温度(55 C)下运行的DMFC,考察了各种运反应物为甲醇和氧气,气体流量暂定800行参数.mL/min,甲醇溶液流量暂定1. 0 mL/min.改变进料浓度,结果见图1和图2.1实验.015p -- 1.0mol/L0.010- -- 1.5 mol/L1.1膜电极( MEA)的制备0.005-- 2 0 mol/L以载量均为4 mg/cm' 的Pt - Ru黑( Johnson0.000Matthey公司)和Pt黑(Johnson Matthey 公司)分别N -0.005-0.010为阳、阴极催化剂，加入正丙醇和w( Nafion) =5%的溶液( Aldrich化学有限公司)制成浆料.以Nafion-0.010.051 0.054 0.057 0.060 0.063Z'/ohm115膜(杜邦公司)为质子交换膜，以PTFE膜为转图1通不同浓 度甲醉时电池的阻抗介质,在135 C 7.2 MPa热转压150 s,制成CatalystFig.1 Nyquist plots of DMFC at dferent methanol concentation- Coated Membrane. 以碳布(Toray公司)为扩散层，- L.0mol/L阴极扩散层使用PTFE溶液疏水处理,热压制成0.6-- 1.5 mol/L+40室i -- 2.0mol/LMEAI.弓0.5H30P 0.41.2电池的组装 、活化和测试-20g 0.3-将MEA密封在两块有效面积为5 cm2的石墨元0.2-流场板中央.流场板两侧分别依次加上集流板、绝. 0.1缘片和端板,夹紧,组装成电池.通入低浓度甲醇水0.，0 200 400 600 800 0002000Current density/(mA^cm)溶液,小电流放电活化9 h后,在VMP2型电化学综合测试系统(普林斯顿公司)上分别采用恒电位稳图2甲醇浓度与DMFC性能关系图态极化法和交流阻抗法测试55C下电池的性能和Fig.2 The efect of methanol concentation on the performance阻抗of DMFC收稿日期: 2009-10-19基金资助:国家863计划资助项目(2007 AA05Z150) ;国家自然科学基金资助项目(50528404)作者简介:刘桂成(1983 - ) ,男,河北人,北京科技大学博士研究生,主要研究方向:直接甲醇燃料电池, Email:!og67@ 163. com.30华南师范大学学报(自然科学版)2009年通人的甲醇浓度为1.5 mol/L时电池内阻最min时,溶液内阻最小，由图6可得,氧气流量过大小,低浓度导致甲醇浓差极化突出,高浓度使甲醇渗可避免浓差极化,但会吹千阴极,反应阻力增大;氧透严重,均降低电池性能.在低电流密度区,电池放气流量过小,浓差极化严重,降低电池性能.电流密电电压因甲醇浓度增大先升后降;在高电流密度区，度在400~1000mA/em2间,反应受欧姆极化影响,甲醇浓度增大导致电池浓差极化严重,极限电流密此时800 mL/min的流量,电阻最小,功率密度较大，度增大,放电性能提高,在大于800 mA/cm2的区电池电势亦较大.域,高浓度甲醇溶液电压有大于低浓度甲醇的趋势.-- 400 mL/min综合可得1. 5 mol/L甲醇最佳.0.045卜- 1200mLUmin2.2甲醇进料流量对电池性能的影响0.030 t -←- 1400mL/mn常压下,1.5 mol/L的甲醇溶液,阴极通人55 C0.015的02 ,气体流量为800 mL/min.改变溶液流量,结N -0.015果见图3和图4.图3可知，当甲醇溶液流量为1.5-0.030mL/min时,电化学阻抗最小，可推测催化剂在这个-0.0450.054 0.060 0.066 0.072 0.078 0.084浓度和流量下反应饱和.图4可见,电流密度为100~800mA/cm2*时,电化学反应受欧姆极化的影响,图5通不同流量氧 气时电池的阻抗谱图流量为1.5mL/L的甲醇溶液传质内阻较小，因此Fig.5 Nyquist plots of DMFC at diferent oaxygen flov对应高电流密度区的功率密度也最高.甲醇流量的-- 400mL/min提高导致电池浓差极化推迟,极限电流密度增大,因-- 800 mL/min-- 1000 mUmin而其放电性能提高,在大于780 mA/cm2的区域,大-- I 200 mL/min流量甲醇溶液电压有大于小流量甲醇的趋势.但甲0.640号醇流量过大,甲醇渗透现象突出。由此可得,当流量为1.5mL/min时,电池的性能最优03-0.2-10复0.10-1- 0.5 mL/minCurent density/(mA.cm)员0.05+- 1.0mLmin1.5 mL/min图6氧气流量与DMFC性能关系图一2.0mL/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阴极氧气压力对 电池性能的影响Z'/ohm1.5 mL/min的甲醇溶液流量为1.5 mol/L,阴.图3通不同流量甲 醇时电池的阻抗谱图Fig.3 Nyquist plots of DMFC at diferent methanol flow极通55 C的02,气体流量为800 mL/min, 改变O2中05mUmin压力,结果如图7和图8.图7可知,压力越大阴极- 10m/mp中- 20mL/mm传质阻力越小.图8可知,当压力升至0.3 MPa以0.7干+25mUmin后,性能提升很少,催化剂基本饱和.大电流区时,0.6 tl 400.5，阳极的传质极化限制了电池性能的提高.所以,氧0.4-t 20气以0. 3 MPa为最佳压力.色0.2--1- 02MPa0.0意0.02-.- 0.3MPa.) 250 500 750 1000 1250 15000.01Current density/(mA.cmi ); 0.图4甲醇流量与DMFC性能关系图-0.01 tFig. 4 The efeet of methanol flow on the performance of DMFC2.3 阴极氧气流量对电池性能的影响-0.020.033 0.036 0.039 0042 0.045常压下,阳极通1.5 mol/L甲醇溶液,流量为Z'ohm图7不同氧气压 力时电池的阻抗谱图1.5 mL/min,阴极通55 C的02.改变氧气流量,结Fig.7 Nyquist plots of DMFC at diferent oxygen pressure果见图5和图6.由图5可知,氧气流量为800 mL/增刊刘桂成等:直接甲醇燃料电池运行参数的研究31--- 0.1 MPa醇浓度为1.5 mol/L、流量为1.5 mL/L,氧气为0. 3-n- 0.2MPa0.7MPa、流量为800 mL/min,可以实现电池性能的最优0.6{120官化S 0.500 :0.40.360参考文献:40司0.220[1] 汪国雄,孙公权,辛 勤,等.直接甲醇燃料电池[]].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图8氧气压力与DMFC性能关系图Sources, 2000,91(2): 193 -201.Fig.8 The effect of oxygen pressure on the performance of DMFC[3] 林才顺,王新东,张红飞,等.工艺参数对被动式DM-FC电化学性能的影响[J].有色金属, 2008 ,60(1):3结论90 -92.本文提出DMFC运行的适宜参数: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[责任编辑成文]