工作條件對鈦網基MEA性能的影響

汪興興，倪紅軍，朱 昱，萬曉峰，馬 駿

（南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019）

直接甲醇燃料電池（DMFC）被認為是小型便攜式電源最有希望的代替品，成為當今研究熱點之一[1-2]。MEA是DMFC的核心部件，通常由陽極、電解質膜和陰極構成。目前電解質膜一般采用全氟磺酸質子交換膜，如美國杜邦公司生產的Nafion系列膜。電極通常由擴散層和催化層組成。催化層是電化學反應發生的場所，陽極和陰極常用的催化劑分別為PtRu和Pt貴金屬體系。擴散層在MEA中起支撐催化層、收集電流及傳遞物料等作用，它一般是由導電的多孔材料制成，現在使用的多為表面經過碳粉整平的碳紙、碳布和金屬網[3-4]。人們研究了基于碳紙或碳布作為擴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]。

本文以鈦網基MEA為研究對象，在研究成型壓力條件和成型溫度條件對鈦網基MEA性能影響[10-11]的基礎上，進一步研究工作條件對鈦網基MEA性能影響，主要包括陽極氧化劑種類、陽極電解液濃度和工作溫度條件。

1 實驗

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

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

2 結果分析與討論

2.1 陰極氧化劑種類對鈦網基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℃、保壓時間為180 s的鈦網基MEA為研究對象，在常壓條件下，測試了室溫25℃和高溫60℃下的極化性能曲線。結果表明無論是在室溫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。相對于自呼吸空氣，陰極持續通入0.1 MPa的100 mL/min氧氣作為氧化劑，可以為鈦網基MEA提供更充足的氧化劑，氧氣濃度提高使MEA的陰極反應速率增加，進而提高MEA的極化性能[5－6]。

圖1 室溫下陰極氧化劑種類對鈦網基MEA性能的影響

2.2 陽極電解液濃度對鈦網基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℃、保壓時間為180 s的鈦網基MEA為研究對象，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，測試了不同電解液濃度對鈦網基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。

結果表明，無論是在室溫25℃條件下，還是在高溫60℃條件下，無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鈦網基MEA的影響呈現了一致性，即當甲醇濃度從0.5 mol/L變大到1.0 mol/L時，鈦網基MEA的功率密度峰值是增大的，當甲醇濃度從1.0 mol/L經過1.5 mol/L增大到2.0 mol/L時，鈦網基MEA的功率密度峰值逐漸減小。因此通過四種不同甲醇濃度電解液對鈦網基MEA極化性能的影響研究，結果表明，當甲醇濃度為1.0 mol/L，鈦網基MEA可以獲得最高的功率密度峰值。濃度對于MEA電性能的影響是兩種因素綜合作用的結果，一方面，甲醇濃度的提高有利于提高甲醇的陽極電化學反應速率，另一方面，高濃度同時加快了甲醇穿過Nafion膜的滲漏，甲醇濃度為1.0 mol/L時，甲醇穿過Nafion膜的擴散起主導作用，因此采用1.0 mol/L甲醇濃度時MEA極化性能要優于采用1.5 mol/L和2.0 mol/L甲醇濃度時的性能，但是甲醇濃度太低，會導致MEA的濃差極化現象嚴重，降低MEA的極化性能[7-8]。

圖3 室溫下甲醇濃度對鈦網基MEA空氣自呼吸性能的影響

圖4 室溫下甲醇濃度鈦網基MEA氧氣環境性能的影響

圖5 60℃下甲醇濃度對鈦網基MEA空氣自呼吸性能的影響

圖6 60℃下甲醇濃度對鈦網基MEA氧氣環境性能的影響

2.3 溫度條件對鈦網基MEA性能的影響

圖7 電解液溫度對鈦網基MEA氧氣環境性能的影響

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硫酸作為陽極電解液，以成型壓力為5 MPa、成型溫度為135℃、保壓時間180 s的鈦網基MEA為研究對象，常壓條件下，電解液溫度條件對鈦網基MEA性能影響的曲線。結果表明，工作環境溫度從25℃逐漸增大到80℃的過程中，鈦網基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，電極的動力學速度增加，提高了陽極和陰極反應速率，進而促進MEA的極化性能升高[8-9]。

3 結論

（1）無論是在室溫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）無論是在室溫25℃條件下，還是在高溫60℃條件下，無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鈦網基MEA的影響呈現了一致性，即當甲醇濃度從0.5 mol/L變大到1.0 mol/L時，鈦網基MEA的功率密度峰值是增大的，當甲醇濃度從1.0 mol/L經過1.5 mol/L增大到2.0 mol/L時，鈦網基MEA的功率密度峰值逐漸減小；

（3）工作環境溫度從25℃逐漸增大到80℃的過程中，鈦網基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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