工作條件對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能的影響

汪興興，倪紅軍，朱 昱，萬(wàn)曉峰，馬 駿

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

直接甲醇燃料電池（DMFC）被認(rèn)為是小型便攜式電源最有希望的代替品，成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一[1-2]。MEA是DMFC的核心部件，通常由陽(yáng)極、電解質(zhì)膜和陰極構(gòu)成。目前電解質(zhì)膜一般采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜，如美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列膜。電極通常由擴(kuò)散層和催化層組成。催化層是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，陽(yáng)極和陰極常用的催化劑分別為PtRu和Pt貴金屬體系。擴(kuò)散層在MEA中起支撐催化層、收集電流及傳遞物料等作用，它一般是由導(dǎo)電的多孔材料制成，現(xiàn)在使用的多為表面經(jīng)過(guò)碳粉整平的碳紙、碳布和金屬網(wǎng)[3-4]。人們研究了基于碳紙或碳布作為擴(kuò)散層基底材料制備的MEA的性能及其影響因素，研究的工作條件因素主要包括工作溫度、甲醇水溶液混合物濃度及流速、空氣或氧氣壓力及流速等[5-9]。

本文以鈦網(wǎng)基MEA為研究對(duì)象，在研究成型壓力條件和成型溫度條件對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能影響[10-11]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究工作條件對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能影響，主要包括陽(yáng)極氧化劑種類、陽(yáng)極電解液濃度和工作溫度條件。

1 實(shí)驗(yàn)

采用鈦網(wǎng)（厚度為250 μm，網(wǎng)孔為0.5 mm×1.2 mm）作為電極支撐體材料；以Vulcan XC-72、PTFE乳液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%）和無(wú)水乙醇配制氣體擴(kuò)散層漿料，采用浸漬涂覆加空氣中自然干燥的方法在鈦網(wǎng)表面制備陰極氣體擴(kuò)散層；再以PtRu/XC-72R（Pt-40-Ru-質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）作為陽(yáng)極催化劑，以無(wú)水乙醇作為分散劑配制陽(yáng)極催化劑墨水，通過(guò)滴涂的方法在氣體擴(kuò)散層表面制備陰極催化劑層；以Pt/XC-72R（Pt-質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%）作為陰極催化劑，以無(wú)水乙醇作為分散劑配制陽(yáng)極催化劑墨水，采用滴涂的方法直接在鈦網(wǎng)表面制備了鈦網(wǎng)基MEA陽(yáng)極和陰極；選用Nafion117作為質(zhì)子交換膜；采用成型壓力為5 MPa、成型溫度為135℃和保壓時(shí)間為180 s條件熱壓制備鈦網(wǎng)基MEA[12]。

采用上海辰華儀器有限公司CHI660C電化學(xué)工作站的LSV功能進(jìn)行MEA的極化性能測(cè)試，掃描電壓頻率為1 mV/s，初始電位為鈦網(wǎng)基MEA的開(kāi)路電壓，終止電位取0 V，采樣間隔為1 s。以1 mol/L甲醇+0.5 mol/L硫酸水溶液作為陽(yáng)極電解液，分別在室溫下空氣自呼吸環(huán)境、室溫下氧氣環(huán)境、高溫下空氣自呼吸環(huán)境和高溫下氧氣環(huán)境四種條件下進(jìn)行MEA的極化性能測(cè)試。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 陰極氧化劑種類對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能的影響

圖1和圖2所示為以1 mol/L甲醇+0.5 mol/L硫酸作為陽(yáng)極電解液，分別以自呼吸空氣和0.1 MPa的100 mL/min氧氣作為陰極氧化劑，以成型壓力為5 MPa、成型溫度為135℃、保壓時(shí)間為180 s的鈦網(wǎng)基MEA為研究對(duì)象，在常壓條件下，測(cè)試了室溫25℃和高溫60℃下的極化性能曲線。結(jié)果表明無(wú)論是在室溫25℃條件下還是在高溫60℃條件下，陰極氧化劑采用0.1 MPa的100 mL/min氧氣的功率密度峰值均高于采用自呼吸空氣的功率密度峰值。25℃下采用0.1 MPa的100 mL/min氧氣的功率密度峰值為5.19 mW/cm2，是采用自呼吸空氣3.91 mW/cm2的1.33倍。60℃下采用0.1 MPa的100 mL/min氧氣的功率密度峰值為13.83 mW/cm2，是采用自呼吸空氣9.31 mW/cm2的1.49倍。相對(duì)于自呼吸空氣，陰極持續(xù)通入0.1 MPa的100 mL/min氧氣作為氧化劑，可以為鈦網(wǎng)基MEA提供更充足的氧化劑，氧氣濃度提高使MEA的陰極反應(yīng)速率增加，進(jìn)而提高M(jìn)EA的極化性能[5－6]。

圖1 室溫下陰極氧化劑種類對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能的影響

2.2 陽(yáng)極電解液濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能的影響

圖3至圖6所示為以成型壓力為5 MPa、成型溫度為135℃、保壓時(shí)間為180 s的鈦網(wǎng)基MEA為研究對(duì)象，分別以自呼吸空氣和0.1 MPa的100 mL/min氧氣作為陰極氧化劑，在常壓條件下，測(cè)試了不同電解液濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA高低溫性能的影響。所采用的電解液中甲醇濃度依次為0.5、1.0、1.5 mol/L和2.0 mol/L，硫酸的濃度均為0.5 mol/L，其余成分為18.25 MΩ·cm的去離子水。

結(jié)果表明，無(wú)論是在室溫25℃條件下，還是在高溫60℃條件下，無(wú)論陰極氧化劑為自呼吸空氣，還是0.1 MPa的100 mL/min氧氣，電解液中的甲醇濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA的影響呈現(xiàn)了一致性，即當(dāng)甲醇濃度從0.5 mol/L變大到1.0 mol/L時(shí)，鈦網(wǎng)基MEA的功率密度峰值是增大的，當(dāng)甲醇濃度從1.0 mol/L經(jīng)過(guò)1.5 mol/L增大到2.0 mol/L時(shí)，鈦網(wǎng)基MEA的功率密度峰值逐漸減小。因此通過(guò)四種不同甲醇濃度電解液對(duì)鈦網(wǎng)基MEA極化性能的影響研究，結(jié)果表明，當(dāng)甲醇濃度為1.0 mol/L，鈦網(wǎng)基MEA可以獲得最高的功率密度峰值。濃度對(duì)于MEA電性能的影響是兩種因素綜合作用的結(jié)果，一方面，甲醇濃度的提高有利于提高甲醇的陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)速率，另一方面，高濃度同時(shí)加快了甲醇穿過(guò)Nafion膜的滲漏，甲醇濃度為1.0 mol/L時(shí)，甲醇穿過(guò)Nafion膜的擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，因此采用1.0 mol/L甲醇濃度時(shí)MEA極化性能要優(yōu)于采用1.5 mol/L和2.0 mol/L甲醇濃度時(shí)的性能，但是甲醇濃度太低，會(huì)導(dǎo)致MEA的濃差極化現(xiàn)象嚴(yán)重，降低MEA的極化性能[7-8]。

圖3 室溫下甲醇濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA空氣自呼吸性能的影響

圖4 室溫下甲醇濃度鈦網(wǎng)基MEA氧氣環(huán)境性能的影響

圖5 60℃下甲醇濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA空氣自呼吸性能的影響

圖6 60℃下甲醇濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA氧氣環(huán)境性能的影響

2.3 溫度條件對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能的影響

圖7 電解液溫度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA氧氣環(huán)境性能的影響

圖7所示為以0.1 MPa的100 mL/min氧氣作為陰極氧化劑，以1.0 mol/L甲醇+0.5 mol/L硫酸作為陽(yáng)極電解液，以成型壓力為5 MPa、成型溫度為135℃、保壓時(shí)間180 s的鈦網(wǎng)基MEA為研究對(duì)象，常壓條件下，電解液溫度條件對(duì)鈦網(wǎng)基MEA性能影響的曲線。結(jié)果表明，工作環(huán)境溫度從25℃逐漸增大到80℃的過(guò)程中，鈦網(wǎng)基MEA的功率密度峰值也從5.19 mW/cm2逐漸增大到17.10 mW/cm2，即80℃下的MEA功率密度峰值是25℃下的3.29倍。隨著溫度的升高，電極的動(dòng)力學(xué)速度增加，提高了陽(yáng)極和陰極反應(yīng)速率，進(jìn)而促進(jìn)MEA的極化性能升高[8-9]。

3 結(jié)論

（1）無(wú)論是在室溫25℃條件下還是在高溫60℃條件下，陰極氧化劑采用0.1 MPa的100 mL/min氧氣的功率密度峰值均高于采用自呼吸空氣的功率密度峰值；

（2）無(wú)論是在室溫25℃條件下，還是在高溫60℃條件下，無(wú)論陰極氧化劑為自呼吸空氣，還是0.1 MPa的100 mL/min氧氣，電解液中的甲醇濃度對(duì)鈦網(wǎng)基MEA的影響呈現(xiàn)了一致性，即當(dāng)甲醇濃度從0.5 mol/L變大到1.0 mol/L時(shí)，鈦網(wǎng)基MEA的功率密度峰值是增大的，當(dāng)甲醇濃度從1.0 mol/L經(jīng)過(guò)1.5 mol/L增大到2.0 mol/L時(shí)，鈦網(wǎng)基MEA的功率密度峰值逐漸減??；

（3）工作環(huán)境溫度從25℃逐漸增大到80℃的過(guò)程中，鈦網(wǎng)基MEA的功率密度峰值也從5.19 mW/cm2逐漸增大到17.10 mW/cm2。

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