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 UNIVERSITY28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,北京100083)摘要以载量均为4mg/cm2的P-Ru黑和Pt黑分别为阳极、阴极催化剂,以碳布为扩散层,以 Nafion115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℃下最佳工艺参数为:甲醇浓度为1.5mlL/L流量为1.5mL/min时阳极反应达到最优,氧气压力在03MPa、流量在800mL/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:TM114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12.本文制备出在较低温度(55℃)下运行的DMFC,考察了各种运2.1甲醇进料浓度对电池性能的影响行参数反应物为甲醇和氧气,气体流量暂定mL/min,甲醇溶液流量暂定1.0mL/min.改变进料1实验浓度,结果见图1和图2.00101.1膜电极(MEA)的制备0005--20moL以载量均为4mg/cm2的Pt-Ru黑( JohnsonMahr公司)和Pt黑( Johnson Matthey公司)分别为阳、阴极催化剂,加入正丙醇和a( Nafion)=5%-0.010的溶液( Aldrich化学有限公司)制成浆料.以 Nafion0.0510054005700600063115膜(杜邦公司)为质子交换膜,以PIFE膜为转图1通不同浓度甲醇时电池的阻抗介质,在135℃、7.2MPa热转压150s,制成 Catalystig. 1 Nyquist plots of DMFC at different methanol concentrationCoated Membrane.以碳布(Toay公司)为扩散层,阴极扩散层使用PTFE溶液疏水处理,热压制成MEA 3e0.51.2电池的组装、活化和测试04903将MEA密封在两块有效面积为5cm2的石墨亏02流场板中央.流场板两侧分别依次加上集流板、绝缘片和端板,夹紧组装成电池.通入低浓度甲醇水溶液,小电流放电活化9h后,在ⅤMP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55℃下电池的性能和Fg2 The effect of methanol concentration on the performance阻抗of dMF中国煤化工收稿日期:2009-10-19CNMHG基金资助:国家863计划资助项目(2007AA05Z150);国家自然科学基金资助项目作者简介: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,Emil:lg67@163.com华南师范大学学报(自然科学版)2009年通入的甲醇浓度为1.5mo/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,但会吹干阴极,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400-1000m4cm2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800m/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800m/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1.5mo/L甲醇最佳2.2甲醇进料流量对电池性能的影响005-+-10常压下,1.5mo/L的甲醇溶液,阴极通人55℃的O2,气体流量为800mL/min改变溶液流量,结N-0.014果见图3和图4.图3可知,当甲醇溶液流量为1.5Lmin时,电化学阻抗最小,可推测催化剂在这个0.045浓度和流量下反应饱和.图4可见,电流密度为10000540.0600.066007200780.084Bohm800m//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 different oxygen now对应高电流密度区的功率密度也最高.甲醇流量的提高导致电池浓差极化推迟极限电流密度增大,因而其放电性能提高,在大于780mA/cm2的区域,大-1 200 mu/'mi流量甲醇溶液电压有大于小流量甲醇的趋势.但甲醇流量过大,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0.5mu/min4008001200Current density/(mA'cm)图6氧气流量与DMFC性能关系图-d-25mU/minFig. 6 The effect of oxygen flow on the performance of DMFC0.1020.3040.5Ohm2.4阴极氧气压力对电池性能的影响图3通不同流量甲醇时电池的阻抗谱图1.5mL/min的甲醇溶液流量为1.5mo/L,阴Fig 3 Nyquist plots of DMFC at different methanol flow极通55℃的O2,气体流量为800mL/min,改变O205mU'min压力结果如图7和图8.图7可知,压力越大阴极--20mu/min传质阻力越小.图8可知,当压力升至0.3MPa以07H250605后使丝的投化限部红泡在彻电流04气以0.3MPa为最佳压力030a2-2-02MP025050075010001250150000lrrent d4甲醇流量与DMFC性能关系图000Fig 4 The effect of methanol flow on the performance of DMFC2.3阴极氧气流量对电池性能的影响V凵中国煤化工20045常压下,阳极通1.5mo/L甲醇溶液,流量为CNMHG1.5mL/min,阴极通55℃的O2改变氧气流量,结图7不同氧气压力时电池的阻抗谱图果见图5和图6.由图5可知,氧气流量为800mL/Fig 7 Nyquist plots of DMFC at different oxygen pressure增刊刘桂成等:直接甲醇燃料电池运行参数的研究0.2MPa醇浓度为1.5mo/L流量为1.5mLL,氧气为0.306下EMPa、流量为800ml/min,可以实现电池性能的最优化040000参考文献:[1]汪国雄,孙公权,辛勤,等.直接甲醇燃料电池[]物理,2004,33(3);165-169.Current density/(mAcm)[2] STEFANIE A V, JOSEFIN M. Process analysis of a liq-图8氧气压力与DMFC性能关系图uid-feed direct methanol fuel cell system[J].JPowerFig 8 The effect of oxygen pressure on the performance of DMFCSources,2000,91(2):193-201[3]林才顺,王新东,张红飞,等.工艺参数对被动式DMFC电化学性能的影响[].有色金属,2008,60(1):3结论本文提出DMFC运行的适宜参数:在55℃,甲STUDY ON THE OPERATING PARAMETERS OF DIRECT METHANOL FUEL CELLSLIU Guicheng, WANG Tongtao, MA Aodong, WANG Xindong, YE FengDepartment of Physical Chemistry, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract The membrane electrode assembly was prepared and single direct methanol fuel cell system was installed, using Pt-Ru black and Pt black as anode and cathode catalysts, Nafion 115 membrane as themembrane. The experimental results showed that when the methanol concentration is 1. 5 molL, the flow rate is 15 mL/ min, and the pressure of O, is 0. 3 MPa with the flow rate 800 mL/min, the performance of the DMFC is optimizedKey words: DMFC; electrochemical performance; MEA【責任编辑成文】中国煤化工CNMHG