管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池性能影响因素

　　【摘要】对燃料电池采用空气自呼吸的方式进行了影响电池性能因素的考察，分别包括不同阴极催化剂载量、不同甲醇溶液浓度及不同甲醇溶液进料浓度和温度。 　　【关键词】燃料电池，催化剂载量，甲醇穿透 　　采用弯曲热压工艺，用两个半圆形模具进行热压，得到了管状膜电极，采用不锈钢金属多孔管作为阳极扩散层的内支撑，用于甲醇溶液的储存和流经通道；膜电极外侧侧面用不锈钢弹簧固定在阴极扩散层，得到了空气自呼吸直接甲醇燃料电池，对其性能影响因素进行考察。 　　一、影响因素 　　（一）阴极催化剂载量对电池性能的影响 　　对于空气自呼吸直接甲醇燃料电池而言，采用常温常压下空气作为氧化剂，空气在电极表面的传质仅靠自然电流，因此阴极催化剂载量对电池的性能影响要大于非空气自呼吸直接甲醇燃料电池。本实验采用固定阳极催化剂载量为2mg/cm2 Pt，阴极Pt载量从0.5mg.cm-2到4mg.cm-2。图1是电池的电压-电流密度极化曲线，图2是功率密度-电流密度曲线。从图1可以看出，阴极催化剂载量0.5mg.cm-2到3mg.cm-2电池的放电性能一直在提高，继续增加载量到4mg.cm-2电池性能出现了下降。这是因为阴极催化剂载量的增加一方面增大了空气中的氧气的还原反应面积，减少了阴极活化阻抗，使相同电压下电流密度增加； 另一方面，催化剂层厚度增加，使传质阻力增大，加大了浓差极化。在空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，由于氧的浓度低，无强化传质，增加催化剂的载量会提供电池的性能，但是为了不在增加催化剂载量的同时，过多地增加催化剂厚度，高担量的Pt/C催化剂或纯铂黑是最佳选择。 　　（二）甲醇浓度对电池性能的影响。目前用于DMFC的商业化质子交换膜，都存在着甲醇穿透的问题，甲醇在浓差和电拖曳驱动下从电池的阳极到达电池的阴极，甲醇在阴极直接与氧气反应，产生混合电位，同时生成的一氧化碳能使催化剂中毒，降低了电池的性能，因此甲醇的浓度也是影响电池性能的因素之一。图3是电池的极化曲线，工作条件为液态甲醇溶液是80℃、体积流量为40 mL/min、 阳极催化剂载量为2mg.cm-2Pt，阴极催化剂载量为3mg.cm-2Pt， 甲醇溶液的浓度从2Mol.L-1到8Mol.L-1。在4Mol.L-1时开路电压达到0.65 V， 电池的功率密度超过10 mW/cm2。该最佳浓度值高于其他文献报道，原因是采用管状结构，管的内径远大于平板型的流道，甲醇的流速低于平板型燃料电池，浓度梯度增大。此外，虽然有一氧化碳中毒的影响，但是阴极催化剂的用量大，氧气的活化反应面积能够得到保证，所以在4时性能最好，超过或低于此浓度值，电池的性能较低。 　　（三）甲醇溶液温度对电池性能的影响。燃料电池是将化学能直接转变为电能，在电池所允许的操作温度范围内，提高电池的运行温度能够提高电解质的电导率，同时在动力学上能够加快电化学反应速度，因此较高温度工作可以显著地改善电池的性能。甲醇溶液的热容大，管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池采用加热进入阳极的甲醇溶液来控制电池的工作温度，这样可以避免直接加热电池增加系统的控制操作复杂度，同时也不会阻碍空气的传质。图4是电池的极化曲线，工作条件为甲醇溶液的浓度4Mol.L-1，体积流量为40ml.min-1、阳极催化剂载量为2mg.cm-2Pt，阴极催化剂载量为3mg.cm-2Pt，液态甲醇溶液从室温到80 ℃。从图上可以看出，随着甲醇溶液温度的提高，电池的性能发生了显著地变化，对于空气自呼吸直接甲醇燃料电池而言，升高温度除了在动力学上提高反应速度外，还从热力学上降低了活化过电位，加快了阴极水分的蒸发，避免了电池反应生成的水淹没电极，降低了氧气的传质阻力。 　　二、无外围设备下管状空气自呼吸DMFC功率 　　在考察了上述影响电池性能的因素后，制备了一个膜电极面积为10cm2管状电池，支撑管的内径为0.8cm，长度为5cm，将管的底端密封，从顶端直接加入10 mL、4Mol.L-1的甲醇溶液，从结果上可以看出，电池的功率在40 mW左右，放电时间可以超过5h以上。甲醇直接存放在管子的内部，减少了补充燃料的外围设备，取消风机和氧气瓶的使用，管状电池的密封连接方便，因此管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池作为便携式电源会有很大的商业化前景。 　　三、小结与讨论 　　采用弯曲热压工艺，用两个半圆形模具进行热压，得到了管状膜电极，采用不锈钢金属多孔管作为阳极扩散层的内支撑，用于甲醇溶液的储存和流经通道；膜电极外侧侧面用不锈钢弹簧固定在阴极扩散层，得到了空气自呼吸直接甲醇燃料电池。 　　对该工艺制作的燃料电池采用空气自呼吸的方式进行了影响电池性能因素的考察，分别对不同阴极催化剂载量、不同甲醇溶液浓度、不同甲醇溶液进料浓度和温度等。当采用空气自呼吸方式时，电池的阳极催化剂载量为2mg.cm-2Pt，阴极催化剂载量为3mg.cm-2 Pt-Ru，液态甲醇溶液温度为80 ℃时，电池的最大功率可以超过10mW.cm-2 。 　　管状直接甲醇燃料电池的很多优点应该已经被科技工作着认识到，在充满很多诱人的前景的同时，也有很多困难存在，所以目前已经有了一些设计管状质子交换膜燃料电池的发明专利出现，可以预见在不久的将来，管状直接甲醇燃料电池从外观和性能本身都是有希望替代目前其他化学电池的有力竞争者。本实验所得到的电池性能低于同类其他平板型空气自呼吸电池的性能，主要是因为使用平板型膜，采用弯曲热压复合制备管状膜电极，压力分布均匀性较差。因此复合工艺的改进是提高电池性能的关键。