直接甲醇燃料电池空气阴极的研究

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,引起电池内阻大幅度上升、电池性能迅速下降,最后致使电池难以正常运行。为此,着重研究了常温常压条件下,以甲醇液体作阳极燃料、以空气为氧化剂,不同运行工艺参数,如空气增湿、空气流量以及空气增湿温度对直接甲醇燃料电池电化学性能的影响。

1.试验部分

1.1试剂、材料和仪器

阳极和阴极催化剂分别为英国JohnsonMattheyCo.生产的pt-Ru/C(质量分数为90%)和pt/C(质量分数为40%),美国杜邦公司生产的Nafion117膜和质量分数为10%的Nafion溶液,日本Toray公司生产的碳纸,质量分数为60%的pTFE溶液,碳黑(VulcanXC-72),异丙醇(化学试剂),饱和甘汞电极,BT01-100型蠕动泵,LZB型液体转子流动计,XMTB型数显温控恒温箱,REX-C700型数控加热器,ACO-318型空气泵以及VMp2型电化学综合测试仪(美国普林斯顿公司)。

1.2流场板的制作

阴、阳极流场板均采用石墨板,其流场尺寸为20mm×25mm。利用流场雕刻设备在石墨板上制作单通道蛇形流场及密封槽,其中单通道蛇形流场槽深、槽宽和脊宽均为1mm。密封材料为硅胶树脂或玻璃胶等。

1.3膜电极(MEA)的制备

1)Nafion117膜的预处理:在体积分数为3%的双氧水溶液中煮沸0.5h后,取出,用去离子水冲洗3次,放入2mol/L的硫酸溶液中煮沸1h,使其质子化,接着用去离子水冲洗数次后留在去离子水中备用。

2)扩散层的制备:取一定量的pTFE乳液、碳黑、Nafion溶液和异丙醇水溶液混合后通过超声波处理30min,然后滴涂在2块面积为20mm×25mm的碳纸上,凉干备用。

3)催化层的制备:取一定量pt-Ru/C和pt/C分别加入一定比例的Nafion溶液和异丙醇水溶液,超声波处理200次,然后涂覆于事先已经处理好的扩散层上,并在真空干燥箱中干燥12h。

4)MEA的热压成型:将上述2块含有扩散层和催化层的碳纸分别置于处理过的Nafion117膜两侧,在135℃和1Mpa条件下,热压3min后得到一个由甲醇电极、空气电极和电解质膜组成的MEA。

1.4单电池的组装和性能测试

将上述MEA放入2块自制的、有效面积为5cm2的石墨流场板中,两侧分别加上集流板、绝缘片和端板,夹紧密封,组装成单电池。电池用热棒加热,热电偶测温。其性能在电化学综合测试系统VMp2(princetonAppliedReseach)上测量。反应物为甲醇和空气,反应条件为常温、常压。

2.结果与讨论

2.1单电池性能

图1为活化后的DMFC膜电极的V-I曲线和功率密度曲线。活化试验条件:膜电极放入电池测试装置中,阳极通甲醇溶液,接着停止蠕动泵运转,让静止甲醇溶液缓慢扩散;阴极利用空气自然扩散,然后在35℃下,小电流密度放电运转9h。其性能测试试验条件为:低温、常压,甲醇浓度1.5mol/L,电池温度35℃,甲醇流速2.5mL/min,阴极为自然空气进料。