直接甲醇燃料电池性能
第7卷 第2期
2001年5月电化学ELECTROCHEMISTRYVol.7 No.2May2001
文章编号:1006-3471(2001)02-0228-06
直接甲醇燃料电池性能
魏昭彬13,刘建国1,乔亚光1,周卫江1,
李文震1,陈利康2,辛 勤1,衣宝廉1
(1.中国科学院大连化学物理研究所,辽宁;
2.安徽省宁国天成电器有限公司)
采用商品Pt-Ru/C和Pt/C,Nafion-115为固体电解质摘要:
膜,组装成面积为9cm2,如温度,氧气压力,,.发现增加电池的温度,在合适的甲醇浓度和氧气压力下电池在室温具有一定的稳定:;Pt-Ru/C,Pt/C,聚合物电解质;电池性能;极化曲线
A中图分类号: TM911 文献标识码:
直接甲醇燃料电池(DMFC)是以廉价的液体甲醇为燃料,与氢氧燃料电池相比,可以省去各种辅助的制氢和净化系统,因而特别适合于用作可移动电源,如移动电话,笔记本电脑和电动车电源等.目前许多国家都投入巨大的人力物力开展深入的基础研究和实际应用探索[1～9].据最新文献报道[10],美国LosAlamos国家实验室和Motorola实验室联合研制成功一种微型DMFC电池用于蜂窝电话,其能量密度是传统充电电池的10倍.Manhattan通过改进电池结构,使电池的比能量较之锂离子电池提高了2倍,预期不久的将来要达到30倍,于2001年商品化.从目前世界各国研究的进展判断,直接甲醇燃料电池将以比人们想象快得多的速度进入实际应用.
对直接甲醇燃料电池性能起决定作用的因素是电极催化剂和质子交换膜.现今广泛采用的甲醇电极催化剂主要是碳载Pt-Ru双组元合金,氧电极催化剂为碳载Pt,固体电解质是Nafion全氟磺酸膜.由于燃料电池的工艺过程较为复杂,研究中发现甲醇阳极和氧阴极的制备工艺,膜-电极组合体(MEA)的热压成型技术以及放电运转条件等均对电池性能有重要作用.本文较全面地研究了直接甲醇燃料电池的电极制备工艺以及在放电运转过程中操作温度,氧气压力和甲醇浓度等因素的影响,并初步考察室温下电池放电性能,为直接甲醇燃料电池常温下的应用提供有用数据.
收稿日期:2000-05-02,修订日期:2000-08-29
3通讯联系人
基金项目:本项研究由安徽省宁国天成电器有限公司提供经费资助
第2期 魏昭彬等:直接甲醇燃料电池性能・229・1 实验部份
1.1 电极制备
甲醇电极催化剂为碳载Pt-Ru合金,Pt含量为20wt%,Ru含量10wt%.制备工艺如下:用PTFE处理过的碳纸作为电极支撑体,上面涂一层用Nafion溶液含量为10wt%调和的碳粉作为扩散层,碳份的涂覆量为5.0-6.5mg/cm2.另将Pt-Ru/C催化剂粉末加入到含有Nafion的乙醇溶液含量(10wt%)中,超声波震荡数分钟使成“油墨”状,均匀涂在碳扩散层上,用吹风机吹干,表面喷一层Nafion.甲醇电极上Pt-Ru涂覆量为2mg/cm2.
氧电极催化剂为碳载Pt,其制备过程和甲醇电极相同.水性能,故扩散层用PTFE乳液代替Nafion,PTFE催化层仍用含量为10wt%Nafion和Pt/C粉末调和制备.1.
Nafion-115膜的处理同文献[11,12].%H2O2水溶液于80℃浸煮1h,经二次蒸馏水冲洗后,80℃浸煮1h,取出用二次蒸馏水冲洗干净,.
1.2 Nafion-115膜,在100kg/cm2压力和135℃温度下热压融合,电极组合体(MEA).采用夹心式结构组装成单电池,电极有效面积为9cm2.甲醇水溶液浓度为0.5-2.0mol/L,流速0.85-1.0ml/min.以氧气或空气作氧化剂.通过加热棒加热电池,热电偶测温.池温升到75℃后开始放电运转.电池的端电压和电流密度由直流数字电压表测定.
2 结果和讨论
2.1 单电池的极化曲线
放电运转起始,电池性能往往较低,其原因可能在于固体聚合物电解质膜经热压后,需要经过甲醇水溶液逐渐溶涨至合适程度,残
存于MEA组合体的孔内杂质也需要冲冼
干净.文献上对电池起始运转条件有许多
报道[13,14].我们发现,组装好的电池用甲醇
水溶液于75℃放电运转活化1～2d后电
池性能已基本达到稳定.
图1描绘了甲醇-氧单电池的极化曲线
和功率密度曲线.其实验条件为:电池温度
75℃,甲醇溶液浓度1.0mol/L,流速1.0
ml/min,氧气压力0.2MPa. 图1 直接甲醇燃料电池的极化和功率密度曲线
at75℃,1.0mol/Lmethanolconcentrationand
0.2MPaoxygenpressure从图1中的极化曲线可看到,在活化 Fig.1 PolarizationandpowerdensitycurvesofDMFC极化区该电池大约产生了200mV以上的电位损失.经用参比电极分别测量了阳极
・230・电 化 学2001年和阴极的单电极电位,发现氧阴极的活化极化较大.当电流密度高于50mA/cm2,V-I曲线处于欧姆极化区.甚至,当电流密度高达350mA/cm2时,反应物和产物在MEA中的传质对电极性能的影响仍相对较小.
图1表明电池功率密度随电流密度增加而提高,在300～350mA/cm2范围内,功率密度最大,约为75mW/cm2.与氢氧燃料电池(通常高达0.6～0.7W/cm2)相比,目前的直接甲醇燃料电池的功率密度仍然甚低.其原因除了以Pt-Ru作为甲醇阳电极催化剂活性相对较低,但更为重要的是由于甲醇通过Nafion膜向氧电极一边的渗漏从而导致电极氧电位有很大的损失[15～18].因此,如何通过研制新的膜材料或做成某种复合膜以减少甲醇的渗漏科技工作者正在努力的方面.
2.2 操作条件对电池性能的影响
甲醇浓度,度对电池V-I曲线的影响.,虽其开路电压较高但在大电流密度高于150mA/cm2,但同.,甲醇浓度为1.0mol/L较为适宜.-电流密度变化影响如图3所示.显然,电池性能随着氧压增.主要是因为电池的极化不处于扩散区.当阴极气腔内氧气为常压时,,约为50mV.提高氧气压力的主要作用在于减少甲醇的渗漏,当然,较高的氧气压力也有利于氧电极上动力学速度的提高
.
图2 甲醇浓度对DMFC性能的影响
Fig.2 Theeffectofmethanolconcentrationonthe
performanceOfDMFCat75℃,0.2MPa
oxygen
pressure图3 不同氧气压力下DMFC的极化曲线Fig.3 Theeffectofoxygenpressureonthetheperfor2manceofDMFCat75℃,1.0mol/Lmethanol
电池的温度对其性能的影响较大,图4为不同操作温度下电池的极化曲线.如图可见,提高电池温度,其性能的改善十分明显.由于甲醇在Pt-Ru/C电极上的有效活化一般需要60℃以上温度,而文献上所报道的DMFC性能数据基本上也都是在60～130℃的温度范围[5,11].提高电池操作温度,不仅改善了电极的活化极化,而且还有利于欧姆极化的降低.但考虑到Nafion膜所允许使用的温度范围,电池温度最高不宜超过130℃.
第2期 魏昭彬等:直接甲醇燃料电池性能・231・图5示出,以空气代替氧气,其它操作条件保持不变下的电池V-I曲线.与图4相比,在相同压力或相同电流密度下,以空气作为氧化剂时,较之纯氧其电池的开路电压和放电时端电压都有所降低(端电压降低约20～30mV).显然,这是因为空气中氧的分压只有纯氧气21%,导致氧极上反应动力学速度明显降低
.
图4 电池温度对Fig.4DMFCatvarious
CH3OHconcentration1.0
mol/L,oxygenpressure0.2
MPa图5 以空气为氧化剂于不同温度下的DMFC极化曲线Fig.5 PolarizationcurvesofDMFCatairpressure0.2MPaandVarioustemperatures.CH3OHconcen2
tration:1.0mol/L
我们还对直接甲醇燃料电池在室温下进行了
2次十数小时的放电运转性能考察,放电电流为50
mA/cm2,结果如图6所示.由于室温下甲醇的活化
极化很大,电池的端电压较低,但当放电运转2～3
h之后;电池性能下降幅度已相对较小.于第1次
放电后电池开路放置一段时间,再第2次起动,电
池性能即可恢复到原有水平.我们认为,直接甲醇
燃料电池室温性能数据对今后开发它的实际应用
是非常有意义的.目前电池的性能还相对较低,问
题主要是Pt-Ru/C催化剂室温时的电催化活性还
图6 于DMFC室温下的放电曲线不够高,如何通过对现有催化剂表面性质的调变或
引入新的活性组份以提高甲醇电极的电催化性能 Fig.6 ThedischargecruvesofDMFCoperit2
ingat25℃,1.0mol/Lmethanol,0.2是DMFC今后研究工作中的一个重要内容.
3 结 论MPaoxygenpressure
直接甲醇燃料电池的甲醇电极由Pt-Ru/C粉
与Nafion溶液调和制备,氧阴极由Pt/C粉与PTFE溶液调和制备,电解质采用全氟磺酸膜Nafion2115,在135℃和100kg/cm2压力下制成MEA后,用不锈钢电极板组装成单电池.在75℃,1.0mol/L甲醇浓度和0.2MPa氧压下,电池的功率密度大均为75mW/cm2.温度,氧
・232・电 化 学2001年气压力,甲醇浓度等操作条件对电池的开路电压和放电性能均有明显作用.电池温度对电池性能影响最大,为了保证Pt-Ru/C催化剂对甲醇有较高的电催化活性,电池操作温度一般要高于65℃.电池在室温也有一定的稳定放电性能.为了不产生高电流密度放电时出现的浓度扩散极化和减少甲醇渗漏,甲醇浓度以1.0mol/L为宜.提高氧气压力有利于电池性能的改进.若以空气代替氧气,同样压力下,电池性能将有所降低.
PerformanceofaDirectMethanolFuelCell
WEIZhao-bin1,LIUJian-guo1,JIAO1
LIWen-zhen1,CHENLi-211
(1.DalianInst.ofChem.,,Dalian116023,China;
2.AnhuiNiCo.,LTD,Ninggo242321,China)
fuelcellwith9cm2activeareaconsistsofPt-Ru/Canode,Pt/Ccathode115membrane.Theeffectofoperatingconditions:methanolsolutionconcen2tration,oxygenpressureandcelltemperatureonthecellperformanceswasinvestigated.There2sultsshowthatperformanceofsinglecellwasenhancedbyincreasingoxygenpressureandcelltemperature,andamaximumpowerdensity75mW/cm2wasobtainedintherangeof250-300mA/cm2currentdensity,0.2MPaoxygenpressure,1.0mol/Lmethanolconcentrationand75℃celltemperature.Whencelloperatingatroomtemperature,arelativelylow,butastableperfor2manceofcellwasalsoobserved.
Keywords:
curve.DMFC,Pt-Ru/C,Pt/C,Polymerelectrolyte,Performanceofcell,Polarization
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