直接甲醇燃料電池膜電極的電化學(xué)及U-I性能研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)具有環(huán)境友好、理論比能量高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料便于攜帶與儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，在可移動(dòng)電源和便攜式電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。開展DMFC膜電極的電化學(xué)研究，分析電極動(dòng)態(tài)變化行為及電池內(nèi)部的影響機(jī)理，對(duì)優(yōu)化DMFC電極結(jié)構(gòu)以及操作條件，進(jìn)而提高電池的輸出性能和穩(wěn)定性能都具有重要意義。 采用電化學(xué)交流阻抗技術(shù)測(cè)定了DMFC工作狀態(tài)下的交流阻抗譜(EIS)，并通過等效電路分析了放電電流及工作溫度對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)阻、電荷轉(zhuǎn)移

2、電阻、低頻電感和低頻電阻的影響；通過常相位角元件初步判定了電池內(nèi)部動(dòng)態(tài)電極的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨兩極反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力的增加，電池內(nèi)部總體表現(xiàn)出了由理想電容到濃差極化的中間過渡過程。 本研究采用I-V極化曲線和EIS的方法，對(duì)Nation膜的放電性能、阻醇性能以及質(zhì)子傳導(dǎo)性能進(jìn)行了考察；并重點(diǎn)對(duì)膜電極(MEA)陽極擴(kuò)散層(GDL)的預(yù)處理?xiàng)l件、碳粉型號(hào)及碳粉載量進(jìn)行了全面的優(yōu)化。結(jié)果表明，電池性能主要受電解質(zhì)膜的電導(dǎo)率、阻醇性能、氣、

3、液兩相傳遞等因素影響。Nationll7電解質(zhì)膜由于具有較強(qiáng)的阻醇性能，表現(xiàn)出了優(yōu)于Nationll2和Nationll5膜的性能。結(jié)果表明，制備陽極GDL時(shí)，采用PTFE濃度為5wt.％的溶液進(jìn)行預(yù)處理，碳粉型號(hào)采用BP2000，載量為1mg/cm2時(shí)，電池顯示出最佳性能。通過對(duì)陽極GDL的疏水處理及優(yōu)化，起到了降低電池內(nèi)部傳質(zhì)阻力及提高GDL的導(dǎo)電性能的作用，進(jìn)而提高電池的放電性能。 考察了燃料甲醇溶液濃度、甲醇溶液流量、陰

4、極空氣流量以及電池工作溫度等操作參數(shù)對(duì)電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于燃料的傳輸及甲醇的滲透等多種因素，在甲醇溶液濃度為1mol/L，流量為4mL/min時(shí)，電池達(dá)到了最佳性能；陰極空氣流量的增加能有效提高電池的輸出功率；溫度升高，能改善電池電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能及降低電池的內(nèi)阻，電池性能得到明顯改善。對(duì)電池穩(wěn)定性測(cè)試過程進(jìn)行了EIS現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在放電初期，由于電極的活化，電池內(nèi)阻有所降低，電池性能有一段改善過程；可隨著放電時(shí)間的