如果空氣陰極一側生成的水和陽極甲醇溶液通過Nafion膜擴散到陰極上的水不足以彌補陰極中大量空氣帶出去的水分時,陰極水平衡就會被破壞,造成空氣電極一側質子交換膜失水變干,引起電池內阻大幅度上升、電池性能迅速下降,最后致使電池難以正常運行。為此,著重研究了常溫常壓條件下,以甲醇液體作陽極燃料、以空氣為氧化劑,不同運行工藝參數,如空氣增濕、空氣流量以及空氣增濕溫度對直接甲醇燃料電池電化學性能的影響。

1.試驗部分

1.1試劑、材料和儀器

陽極和陰極催化劑分別為英國JohnsonMattheyCo.生產的pt-Ru/C(質量分數為90%)和pt/C(質量分數為40%),美國杜邦公司生產的Nafion117膜和質量分數為10%的Nafion溶液,日本Toray公司生產的碳紙,質量分數為60%的pTFE溶液,碳黑(VulcanXC-72),異丙醇(化學試劑),飽和甘汞電極,BT01-100型蠕動泵,LZB型液體轉子流動計,XMTB型數顯溫控恒溫箱,REX-C700型數控加熱器,ACO-318型空氣泵以及VMp2型電化學綜合測試儀(美國普林斯頓公司)。

1.2流場板的制作

陰、陽極流場板均采用石墨板,其流場尺寸為20mm×25mm。利用流場雕刻設備在石墨板上制作單通道蛇形流場及密封槽,其中單通道蛇形流場槽深、槽寬和脊寬均為1mm。密封材料為硅膠樹脂或玻璃膠等。

1.3膜電極(MEA)的制備

1)Nafion117膜的預處理:在體積分數為3%的雙氧水溶液中煮沸0.5h后,取出,用去離子水沖洗3次,放入2mol/L的硫酸溶液中煮沸1h,使其質子化,接著用去離子水沖洗數次后留在去離子水中備用。

2)擴散層的制備:取一定量的pTFE乳液、碳黑、Nafion溶液和異丙醇水溶液混合后通過超聲波處理30min,然后滴涂在2塊面積為20mm×25mm的碳紙上,涼干備用。

3)催化層的制備:取一定量pt-Ru/C和pt/C分別加入一定比例的Nafion溶液和異丙醇水溶液,超聲波處理200次,然后涂覆于事先已經處理好的擴散層上,并在真空干燥箱中干燥12h。

4)MEA的熱壓成型:將上述2塊含有擴散層和催化層的碳紙分別置于處理過的Nafion117膜兩側,在135℃和1Mpa條件下,熱壓3min后得到一個由甲醇電極、空氣電極和電解質膜組成的MEA。

1.4單電池的組裝和性能測試

將上述MEA放入2塊自制的、有效面積為5cm2的石墨流場板中,兩側分別加上集流板、絕緣片和端板,夾緊密封,組裝成單電池。電池用熱棒加熱,熱電偶測溫。其性能在電化學綜合測試系統VMp2(princetonAppliedReseach)上測量。反應物為甲醇和空氣,反應條件為常溫、常壓。

2.結果與討論

2.1單電池性能

圖1為活化后的DMFC膜電極的V-I曲線和功率密度曲線。活化試驗條件:膜電極放入電池測試裝置中,陽極通甲醇溶液,接著停止蠕動泵運轉,讓靜止甲醇溶液緩慢擴散;陰極利用空氣自然擴散,然后在35℃下,小電流密度放電運轉9h。其性能測試試驗條件為:低溫、常壓,甲醇濃度1.5mol/L,電池溫度35℃,甲醇流速2.5mL/min,陰極為自然空氣進料。