D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.05.010 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 直接甲醇燃料电池电化学性能 林才顺张红飞王淑燕王新东 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要以PRu/C和P/C分别为阳极、阴极催化剂，自制了膜电极，并组装了直接甲醇燃料电池(DMFC)以及测试系统. 通过稳态电流一电压极化曲线法，研究了甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度以及空气增湿温度对DMFC电化学性能的影响·研究 结果表明，在电池温度为25℃以及阴极为自然空气的条件下，当DMFC输出电压为0.22V时，其输出电流密度和峰值功率密 度分别可以达到68mAcm一2和14.8mWcm一2，且各因素对电池性能存在着明显的影响.实验的最佳运行工艺参数：甲醇流 量为2 mL'min,甲醇浓度为2malL1,甲醇温度为30℃，空气增湿温度为40~60℃. 关键词直接甲醇燃料电池：电化学性能：膜电极：工艺参数 分类号TM911.4 直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将储存在燃 阴极反应：3/202十6H++6e-3H20; 料甲醇溶液和氧化剂（氧气或空气）中的化学能直接 总反应：CH30H十3/202℃02十3H20. 转化为电能的发电装置.其显著的优点是：甲醇燃 与许多文献报道的研究条件不同]，本文着 料来源丰富，成本低廉，能密度较高（甲醇的能密度 重研究了在常温常压条件下，使用以甲醇液体作阳 约为氢气的5倍)；电池工作时燃料直接进料， 极燃料，以空气作为氧化剂，不同运行工艺参数如甲 无需重整处理；电池结构简单，响应时间短，操作方 醇浓度、甲醇流量、甲醇温度以及空气增湿温度对直 便，易携带和储存，是便携式电子设备、移动电话、摄 接甲醇燃料电池性能的影响，为自呼吸式微型直接 像机和电动汽车理想的动力源。由于被认为是最有 甲醇燃料电池的研究开发和实际应用提供有用的依 可能实现商业化应用的燃料电池，因而受到了人们 据 的极大关注[3-] DMFC的工作原理是：在阳极区，甲醇水溶液 1实验部分 经阳极流场板均匀分配后，通过阳极扩散层扩散并 1.1试剂、材料和仪器 进入阳极催化层中（即阳极电化学活性反应区域）， 阳极和阴极催化剂分别为：英国Johnson 在碳载铂钉电催化剂的作用下发生电化学氧化反 Matthey公司生产的PtRu/C(质量分数为90%)和 应，生成质子、电子和二氧化碳。阳极反应产生的质 Pt/C(质量分数为40%)，美国杜邦公司生产的 子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极，电子 Nafionl117膜和质量分数为10%的Nafion溶液，日 通过外电路传递到阴极，二氧化碳在酸性电解质帮 本Toray公司生产的碳纸、质量分数为60%的 助下从阳极出口排出.在阴极区，氧气或空气经阴 PTFE溶液、碳黑(Vulean XC-一72)、异丙醇（化学试 极流场板均匀分配后，通过阴极扩散层扩散并进入 剂)·实验仪器有饱和甘汞电极、BT01一100型蠕动 阴极催化层中（即阴极电化学活性反应区域），在碳 泵、LZB型液体转子流动计、XMTB型数显温控恒 载铂电催化剂的作用下，与从阳极迁移过来的质子 温箱、REXC700型数控加热器、AC0一318型空气 发生电化学还原反应生成水，并随反应尾气从阴极 泵以及VMP2型电化学综合测试仪（美国普林斯顿 出口排出，DMFC的电极反应如下. 公司) 阳极反应：CH30H+H20一→CO2十6H++ 1.2流场板的制作 6e; 阴阳极流场板均采用石墨板，其流场尺寸为 收稿日期：2006-01-24修回日期：2006-04-14 20mm×25mm,利用流场雕刻设备在石墨板上制 基金项目：国家“863”计划资助项目(N。.2002AA一302404)：国家自 作单通道蛇形流场以及密封槽，其中单通道蛇形流 然科学基金资助项目(No-50274010) 作者简介：林才顺(1973一)，男，博士研究生：王新东(1961一)男， 场槽深、槽宽和脊宽均为1mm,密封材料采用硅胶 教授，博士生导师 树脂或玻璃胶等
直接甲醇燃料电池电化学性能 林才顺 张红飞 王淑燕 王新东 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 以 Pt－Ru／C 和 Pt／C 分别为阳极、阴极催化剂自制了膜电极并组装了直接甲醇燃料电池（DMFC）以及测试系统． 通过稳态电流－电压极化曲线法研究了甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度以及空气增湿温度对 DMFC 电化学性能的影响．研究 结果表明在电池温度为25℃以及阴极为自然空气的条件下当 DMFC 输出电压为0∙22V 时其输出电流密度和峰值功率密 度分别可以达到68mA·cm －2和14∙8mW·cm －2且各因素对电池性能存在着明显的影响．实验的最佳运行工艺参数：甲醇流 量为2mL·min －1甲醇浓度为2mol·L －1甲醇温度为30℃空气增湿温度为40～60℃． 关键词 直接甲醇燃料电池；电化学性能；膜电极；工艺参数 分类号 T M911∙4 收稿日期：2006-01-24 修回日期：2006-04-14 基金项目：国家“863”计划资助项目（No．2002AA－302404）；国家自 然科学基金资助项目（No．50274010） 作者简介：林才顺（1973－）男博士研究生；王新东（1961－）男 教授博士生导师 直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种将储存在燃 料甲醇溶液和氧化剂（氧气或空气）中的化学能直接 转化为电能的发电装置．其显著的优点是：甲醇燃 料来源丰富成本低廉能密度较高（甲醇的能密度 约为氢气的5倍） ［1－2］；电池工作时燃料直接进料 无需重整处理；电池结构简单响应时间短操作方 便易携带和储存是便携式电子设备、移动电话、摄 像机和电动汽车理想的动力源．由于被认为是最有 可能实现商业化应用的燃料电池因而受到了人们 的极大关注［3－4］． DMFC 的工作原理是：在阳极区甲醇水溶液 经阳极流场板均匀分配后通过阳极扩散层扩散并 进入阳极催化层中（即阳极电化学活性反应区域） 在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反 应生成质子、电子和二氧化碳．阳极反应产生的质 子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极电子 通过外电路传递到阴极二氧化碳在酸性电解质帮 助下从阳极出口排出．在阴极区氧气或空气经阴 极流场板均匀分配后通过阴极扩散层扩散并进入 阴极催化层中（即阴极电化学活性反应区域）在碳 载铂电催化剂的作用下与从阳极迁移过来的质子 发生电化学还原反应生成水并随反应尾气从阴极 出口排出．DMFC 的电极反应如下． 阳极反应：CH3OH ＋ H2O CO2＋6H ＋ ＋ 6e －； 阴极反应：3／2O2＋6H ＋＋6e － 3H2O； 总反应：CH3OH＋3／2O2 CO2＋3H2O． 与许多文献报道的研究条件不同［5－8］本文着 重研究了在常温常压条件下使用以甲醇液体作阳 极燃料以空气作为氧化剂不同运行工艺参数如甲 醇浓度、甲醇流量、甲醇温度以及空气增湿温度对直 接甲醇燃料电池性能的影响为自呼吸式微型直接 甲醇燃料电池的研究开发和实际应用提供有用的依 据． 1 实验部分 1∙1 试剂、材料和仪器 阳 极 和 阴 极 催 化 剂 分 别 为：英 国 Johnson Matthey 公司生产的Pt－Ru／C（质量分数为90％）和 Pt／C（质量分数为 40％）美国杜邦公司生产的 Nafion117膜和质量分数为10％的 Nafion 溶液日 本 Toray 公司生产的碳纸、质量分数为 60％ 的 PTFE 溶液、碳黑（Vulcan XC－72）、异丙醇（化学试 剂）．实验仪器有饱和甘汞电极、BT01－100型蠕动 泵、LZB 型液体转子流动计、XMTB 型数显温控恒 温箱、REX－C700型数控加热器、ACO－318型空气 泵以及 VMP2型电化学综合测试仪（美国普林斯顿 公司）． 1∙2 流场板的制作 阴阳极流场板均采用石墨板其流场尺寸为 20mm×25mm．利用流场雕刻设备在石墨板上制 作单通道蛇形流场以及密封槽其中单通道蛇形流 场槽深、槽宽和脊宽均为1mm．密封材料采用硅胶 树脂或玻璃胶等． 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．010
第5期 林才顺等：直接甲醇燃料电池电化学性能 .487 1.3膜电极的制备 密度已经分别达到68mAcm-2和14.8mWcm一2. 直接甲醇燃料电池膜电极的制备主要有以下几 但在活化极化区，电池产生了大约200mV的电位 个步骤：(1)Nafion117膜的预处理，在体积分数为 损失， 3%的双氧水溶液中煮沸0.5h后，取出，用去离子 2.2工艺参数对电池性能的影响 水冲洗三次，放入2molL一的硫酸溶液中煮沸1h, 2.2.1甲醇流量对电池性能的影响 使其质子化，接着用去离子水冲洗数次，留在去离子 图2为常温常压下、甲醇浓度为2molL-1时 水中备用，(2)扩散层的制备，取一定量的PT℉E DMFC的极化曲线.从图2可以看到：甲醇流量由 乳液、碳黑(Vulcan XC一72)、Nafion溶液和异丙醇 0 mL'min-l增加到2 mL'min一时，电池性能的变化 水溶液混合后通过超声波处理0.5h,然后滴涂在两 较大，呈上升趋势；而甲醇流量由2 mLmin增加 块面积为20mm×25mm的碳纸上，凉干备用.(3) 到3 mL'min时，电池性能的变化较小，呈稍微下 催化层的制备，取一定量Pt一Rū/C(质量分数为 降趋势；在甲醇流量为2 mL.min时，电池性能达 90%)和Pt/C(质量分数为40%)分别加入一定比例 到最高，其峰值功率为12.4mWcm-2. 的Nafion溶液和异丙醇水溶液，超声波处理1h,然 0.8 ◆0ml,min14 后涂覆于事先已经处理好的扩散层上，并在真空干 -1 mL.min12 2 mL-min 6 燥箱干燥1~2h·(4)膜电极的热压成型.将上述两 3 mL.min-410 块含有扩散层和催化层的碳纸分别置于处理过的 Nafion117膜两侧，在135℃和1MPa条件下，热压 6 3min后得到一个由甲醇电极、空气电极和电解质膜 02 4 2 组成的膜电极， 1.4单电池的组装和性能测试 20406080100120140160 输出电流密度/(mA·cm) 将热压成型的膜电极放入两块自制的有效面积 为5cm2的石墨流场板中，两侧分别加上集流板、绝 图2甲醇流量与DMFC性能关系图 缘片和端板，夹紧密封，组装成单电池，电池用热棒 Fig-2 Effect of methanol flow on the performance of a DMFC 加热，热电偶测温，其性能在VMP2型电化学综合 2.2.2甲醇浓度对电池性能的影响 测试系统上测量，反应物为甲醇和空气，反应条件 图3考察了不同甲醇浓度在常温常压下、甲醇 为常温常压 流量为2 mL'min时DMFC极化曲线的变化，从 2结果与讨论 0> ◆1mol-L习14 0.6 ★2mo-L-12C 2.1单电池性能 -4 molL- 0.5 10 图1为DMFC的V-I曲线和功率密度曲线， 0.4 8 其实验条件是：常温常压，甲醇浓度为2molL-1,电 6 池温度为25℃，甲醇流速为2~2.5 mL'min-1,阴 0.2 g 0.7 6 0.1 3 0.6 14 20406080100120140 0.5 输出电流密度/(mAcm) 0.4 8 0.3 图3甲醇浓度与DMFC性能关系图 0.2 Fig.3 Effect of methanol concentration on the performance of 0.1 DMFC 0 0 20406080100 120 输出电流密度(mA·cm) 图中可以看到，甲醇浓度对电池性能影响较大·当 浓度为2molL时，电池性能达到最高。甲醇浓度 图1DFC的I曲线和功率密度曲线 太高或太低，电池峰值功率都很低，可能的原因是， Fig.1 V-I characteristics and power density of a DMFC 甲醇浓度太高，Nafion117膜的甲醇穿透效应增大， 极为自然空气进料.从图1可以看到，当单电池的 在阴极形成混合电位，降低了电池输出电压；甲醇浓 输出电压为0.22V时，其输出电流密度和峰值功率 度太低，阳极甲醇氧化反应动力学性能降低、阳极浓
1∙3 膜电极的制备 直接甲醇燃料电池膜电极的制备主要有以下几 个步骤：（1）Nafion117膜的预处理．在体积分数为 3％的双氧水溶液中煮沸0∙5h 后取出用去离子 水冲洗三次放入2mol·L －1的硫酸溶液中煮沸1h 使其质子化接着用去离子水冲洗数次留在去离子 水中备用．（2）扩散层的制备．取一定量的 PTFE 乳液、碳黑（Vulcan XC－72）、Nafion 溶液和异丙醇 水溶液混合后通过超声波处理0∙5h然后滴涂在两 块面积为20mm×25mm 的碳纸上凉干备用．（3） 催化层的制备．取一定量 Pt－Ru／C （质量分数为 90％）和 Pt／C（质量分数为40％）分别加入一定比例 的 Nafion 溶液和异丙醇水溶液超声波处理1h然 后涂覆于事先已经处理好的扩散层上并在真空干 燥箱干燥1～2h．（4）膜电极的热压成型．将上述两 块含有扩散层和催化层的碳纸分别置于处理过的 Nafion117膜两侧在135℃和1MPa 条件下热压 3min 后得到一个由甲醇电极、空气电极和电解质膜 组成的膜电极． 1∙4 单电池的组装和性能测试 将热压成型的膜电极放入两块自制的有效面积 为5cm 2 的石墨流场板中两侧分别加上集流板、绝 缘片和端板夹紧密封组装成单电池．电池用热棒 加热热电偶测温其性能在 VMP2型电化学综合 测试系统上测量．反应物为甲醇和空气反应条件 为常温常压． 2 结果与讨论 2∙1 单电池性能 图1为 DMFC 的 V－Ⅰ曲线和功率密度曲线 其实验条件是：常温常压甲醇浓度为2mol·L －1电 池温度为25℃甲醇流速为2～2∙5mL·min －1阴 图1 DMFC 的 V－Ⅰ曲线和功率密度曲线 Fig．1 V－Ⅰ characteristics and power density of a DMFC 极为自然空气进料．从图1可以看到当单电池的 输出电压为0∙22V 时其输出电流密度和峰值功率 密度已经分别达到68mA·cm －2和14∙8mW·cm －2． 但在活化极化区电池产生了大约200mV 的电位 损失． 2∙2 工艺参数对电池性能的影响 2∙2∙1 甲醇流量对电池性能的影响 图2为常温常压下、甲醇浓度为2mol·L －1时 DMFC 的极化曲线．从图2可以看到：甲醇流量由 0mL·min －1增加到2mL·min －1时电池性能的变化 较大呈上升趋势；而甲醇流量由2mL·min －1增加 到3mL·min －1时电池性能的变化较小呈稍微下 降趋势；在甲醇流量为2mL·min －1时电池性能达 到最高其峰值功率为12∙4mW·cm －2． 图2 甲醇流量与 DMFC 性能关系图 Fig．2 Effect of methanol flow on the performance of a DMFC 2∙2∙2 甲醇浓度对电池性能的影响 图3考察了不同甲醇浓度在常温常压下、甲醇 流量为2mL·min －1时 DMFC 极化曲线的变化．从 图3 甲醇浓度与 DMFC 性能关系图 Fig．3 Effect of methanol concentration on the performance of DMFC 图中可以看到甲醇浓度对电池性能影响较大．当 浓度为2mol·L －1时电池性能达到最高．甲醇浓度 太高或太低电池峰值功率都很低．可能的原因是 甲醇浓度太高Nafion117膜的甲醇穿透效应增大 在阴极形成混合电位降低了电池输出电压；甲醇浓 度太低阳极甲醇氧化反应动力学性能降低、阳极浓 第5期 林才顺等： 直接甲醇燃料电池电化学性能 ·487·
.488 北京科技大学学报 第29卷 差极化明显，甲醇阳极催化剂利用率下降，导致电池 快了阴极电化学反应的速率；另一方面使空气获得 性能也随之下降， 了较多的水分，从而弥补了空气带出电池外的水分 2.2.3甲醇温度对电池性能的影响 损失，在一定程度上保证了膜电极的水平衡，避免了 图4给出了使用Nafion117膜和甲醇浓度为 Nafion117膜因水分损失过多而造成的膜干涸以及 2molL时，不同甲醇温度下对电池V-I曲线影 膜电阻急剧上升，同时，实验还表明，空气增湿温度 响的比较，图4表明，提高一定的甲醇溶液温度，可 过高，引起空气湿度过大，带入的水分过多，以及电 以部分改善和提高DMFC性能，但甲醇溶液温度达 池在较大电流密度放电的情况下，阴极反应产物水 到30℃后，电池性能不升反而略有降低，即电池性 会大量增加，致使空气来不及把阴极的水分吹扫和 能是：30℃时≥40℃时>16℃时，这个实验结果与 排出，极易在阴极流场造成“电极水淹”现象，而导致 李建玲[们等人研究的结果比较类似，这是由于甲醇 电池性能下降.因此，空气增湿温度一般控制在 溶液温度的升高，一方面加快了阳极电化学反应的 40~60℃之间为宜 速率，提高了Nafion117膜的电导率；但是在另一方 08 量一30℃ 面也加速了Nafion117膜的甲醇溶液渗透速率，在 0.6 4一40℃ -●-60℃ 阴极形成更大的混合电位，降低电池输出电压.此 0.4 外，有文献报道0，温度升高时还会使阴极空气中 的O2浓度下降，以及空气中大量氨和其他气体成 20 406080 100 分的存在，造成氧向催化剂层扩散的流量大为降低， 输出电流密度/(mA.cm-) 这不仅影响氧的扩散速率，而且影响氧在催化剂表 图5空气增湿温度对电池V一I曲线的影响 面的吸附，抑制了氧的还原反应，引起电池性能的下 Fig.5 Effect of humidifying air temperature on the HV character- 降 isties of a DMFC 0.8 ◆一16℃ 1 0.6 ■一30℃： —40℃ 0.4 0 0.2 6 ◆-30℃ 0 4 ■-40℃ 0 20406080100 2 +-60℃ 输出电流密度/(mAcm) 20406080 100 输出电流密度/(mA·cm) 图4甲醇温度对电池一I曲线的影响 Fig.4 Effect of methanol temperature on the HV characteristics 图6空气增湿温度与D℃性能的影响 of a DMFC Fig.6 Effect of humidifying air temperature on the performance 2.2.4空气增湿温度对电池性能的影响 of a DMFC 图5为不同空气增湿温度对电池V一I曲线的 3 影响，图6为空气增湿温度对电池功率密度曲线的 结论 影响，由于DMFC使用的是甲醇溶液，相对于 本实验以PtRu/C和Pt/C分别为阳极、阴极 PEMFC而言，能够更好地保持Nafion117膜水平衡 催化剂，自制了膜电极，并组装了DMFC单电池以 和提高膜的导电率，因而关于阴极空气增湿温度对 及测试系统，通过稳态电流电压极化曲线法，研究 电池性能影响的文献报道并不多，但在实验研究中 了甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度以及空气增湿温度 发现，空气增湿温度对电池性能有着较大的影响， 对DMFC电化学性能的影响，这为进一步研究直接 图4和图5表明，随着空气增湿温度的提高，电池性 甲醇燃料电池和自呼吸式微型直接甲醇燃料电池提 能提高幅度较大，在其他电池工艺参数相同的条件 供了有用的依据以及实验基础.研究结果表明，在 下，当空气增湿温度为30℃时，电池开路电压为 电池温度为25℃以及阴极为自然空气的条件下，当 0.581V,电池峰值功率为10.319mW·cm2;而当 DMFC输出电压为0.22V时，其输出电流密度和峰 空气增湿温度提高到60℃时，电池开路电压为 值功率密度分别可以达到68mAcm-2和14.8mW, 0.721V,电池峰值功率可以达到12.869mW· cm2,同时，甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度和空气 cm2.增湿温度的提高，一方面使电池温度上升，加 增湿温度对电池性能存在着明显的影响，其实验的
差极化明显甲醇阳极催化剂利用率下降导致电池 性能也随之下降． 2∙2∙3 甲醇温度对电池性能的影响 图4给出了使用 Nafion117膜和甲醇浓度为 2mol·L －1时不同甲醇温度下对电池 V－Ⅰ曲线影 响的比较．图4表明提高一定的甲醇溶液温度可 以部分改善和提高 DMFC 性能但甲醇溶液温度达 到30℃后电池性能不升反而略有降低即电池性 能是：30℃时≥40℃时＞16℃时．这个实验结果与 李建玲［9］等人研究的结果比较类似．这是由于甲醇 溶液温度的升高一方面加快了阳极电化学反应的 速率提高了 Nafion117膜的电导率；但是在另一方 面也加速了 Nafion117膜的甲醇溶液渗透速率在 阴极形成更大的混合电位降低电池输出电压．此 外有文献报道［10］温度升高时还会使阴极空气中 的 O2 浓度下降以及空气中大量氮和其他气体成 分的存在造成氧向催化剂层扩散的流量大为降低 这不仅影响氧的扩散速率而且影响氧在催化剂表 面的吸附抑制了氧的还原反应引起电池性能的下 降． 图4 甲醇温度对电池 V－Ⅰ曲线的影响 Fig．4 Effect of methanol temperature on theⅠ－V characteristics of a DMFC 2∙2∙4 空气增湿温度对电池性能的影响 图5为不同空气增湿温度对电池 V－Ⅰ曲线的 影响图6为空气增湿温度对电池功率密度曲线的 影响．由于 DMFC 使用的是甲醇溶液相对于 PEMFC 而言能够更好地保持 Nafion117膜水平衡 和提高膜的导电率因而关于阴极空气增湿温度对 电池性能影响的文献报道并不多．但在实验研究中 发现空气增湿温度对电池性能有着较大的影响． 图4和图5表明随着空气增湿温度的提高电池性 能提高幅度较大．在其他电池工艺参数相同的条件 下当空气增湿温度为30℃时电池开路电压为 0∙581V电池峰值功率为10∙319mW·cm －2 ；而当 空气增湿温度提高到60℃时电池开路电压为 0∙721V电 池 峰 值 功 率 可 以 达 到 12∙869mW· cm －2．增湿温度的提高一方面使电池温度上升加 快了阴极电化学反应的速率；另一方面使空气获得 了较多的水分从而弥补了空气带出电池外的水分 损失在一定程度上保证了膜电极的水平衡避免了 Nafion117膜因水分损失过多而造成的膜干涸以及 膜电阻急剧上升．同时实验还表明空气增湿温度 过高引起空气湿度过大带入的水分过多以及电 池在较大电流密度放电的情况下阴极反应产物水 会大量增加致使空气来不及把阴极的水分吹扫和 排出极易在阴极流场造成“电极水淹”现象而导致 电池性能下降．因此空气增湿温度一般控制在 40～60℃之间为宜． 图5 空气增湿温度对电池 V－Ⅰ曲线的影响 Fig．5 Effect of humidifying air temperature on theⅠ－V characteristics of a DMFC 图6 空气增湿温度与 DMFC 性能的影响 Fig．6 Effect of humidifying air temperature on the performance of a DMFC 3 结论 本实验以 Pt－Ru／C 和 Pt／C 分别为阳极、阴极 催化剂自制了膜电极并组装了 DMFC 单电池以 及测试系统．通过稳态电流－电压极化曲线法研究 了甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度以及空气增湿温度 对 DMFC 电化学性能的影响这为进一步研究直接 甲醇燃料电池和自呼吸式微型直接甲醇燃料电池提 供了有用的依据以及实验基础．研究结果表明在 电池温度为25℃以及阴极为自然空气的条件下当 DMFC 输出电压为0∙22V 时其输出电流密度和峰 值功率密度分别可以达到68mA·cm －2和14∙8mW· cm －2．同时甲醇流量、甲醇浓度、甲醇温度和空气 增湿温度对电池性能存在着明显的影响其实验的 ·488· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第5期 林才顺等：直接甲醇燃料电池电化学性能 .489. 最佳运行工艺参数为：甲醇流量为2 mL'min1,甲 [5]Scott K.Taama W,Cruickshank J.Performance of a direct 醇浓度为2molL-1,甲醇温度为30℃，空气增湿温 methanol fuel cell.J Appl Electrochem.1998.28(2):289 度为40~60℃. [6]Liu L.Pu C.Visw anathan R,et al.Carbon supported and un- supported PtRu anodes for liquid feed direct methanol fuel cells. Electrochem Acta.1998.43(24):3657 参考文献 [7]Arico A S,Baglio V,Modica E.Performance of DMFC anodes [1]Dillon R.Srinivasan S.Arico AS.et al.International activities in with ultra-low Pt loading-Electrochem Commun.2004.6(2): DMFC R&:Status of technologies and potential applications.J 164 Power Sources.2004.127(1):112 [8]Nobuyoshi N.Yikun X.Performance of a direct methanol fuel [2]Ye Q.Zhao T S,Yang H.et al.Electrochemical reactions in a cell operated at atmospheric pressure.J Power Sources.2003. DMFC under open-circuit conditions.Electrochem Solid State 118(2):248 Lett,2005(8):52 [9]李建玲，毛宗强，徐景明.直接甲醇燃料电池膜电极电化学性 [3]Baldauf M.Preidel W.Status of the development of a direct 能影响因素.电池，2002,32(1)：17 methanol fuel cell.J Power Source.1999.84(2):161 [10]Shukla A K.Christensen PA,Dickinson A J,et al.A liquid fee [4]Andrian S V,Meusinger J.Process analysis of a liquid-feed direct solid polymer electrolyte direct methanol fuel cell operating at methanol fuel cell system.J Power Source,2000.91(2):193 ambient conditions.J Power Sources.1998.76(1):54 Electrochemical performance of a direct methanol fuel cell LIN Caishun,ZHA NG Hongfei,WANG Shuyan,WANG Xindong Metallurgical and Ecological Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Using Pt-Ru/C and Pt/C as anode and cathode catalysts,the membrane electrode assembly was prepared and a single direct methanol fuel cell system was installed.The electrochemical performance of a direct methanol fuel cell (DMFC)at different technological parameters such as methanol flow,methanol concentra- tion,methanol temperature and humidifying air temperature was investigated by means of steady-state galvanos- tatic and potentiostatic polarization.The experimental result shows that the output current density and power density were 68mAcmand 14.8mWcmrespectively with ambient air as cathode oxidant when the work- ing temperature was 25C and the output voltage was 0.22 V.The four technological parameters significantly affected the performance of a direct methanol fuel cell.In the experiment,the optimum technological parameters were the methanol flow of 2mLmin,the methanol concentration of 2molL,the methanol temperature of 30C and the humidifying air temperature of 4060C. KEY WORDS direct methanol fuel cell (DMFC);electrochemical performance:membrane electrode;techno- logical parameters
最佳运行工艺参数为：甲醇流量为2mL·min －1甲 醇浓度为2mol·L －1甲醇温度为30℃空气增湿温 度为40～60℃． 参 考 文 献 ［1］ Dillon RSrinivasan SArico A Set al．International activities in DMFC R＆D：Status of technologies and potential applications．J Power Sources2004127（1）：112 ［2］ Ye QZhao T SYang Het al．Electrochemical reactions in a DMFC under open-circuit conditions．Electrochem Solid State Lett2005（8）：52 ［3］ Baldauf MPreidel W．Status of the development of a direct methanol fuel cell．J Power Source199984（2）：161 ［4］ Andrian S VMeusinger J．Process analysis of a liquid-feed direct methanol fuel cell system．J Power Source200091（2）：193 ［5］ Scott KTaama WCruickshank J．Performance of a direct methanol fuel cell．J Appl Electrochem199828（2）：289 ［6］ Liu LPu CViswanathan Ret al．Carbon supported and unsupported Pt－Ru anodes for liquid feed direct methanol fuel cells． Electrochem Acta199843（24）：3657 ［7］ Arico A SBaglio VModica E．Performance of DMFC anodes with ultra-low Pt loading．Electrochem Commun20046（2）： 164 ［8］ Nobuyoshi NYikun X．Performance of a direct methanol fuel cell operated at atmospheric pressure．J Power Sources2003 118（2）：248 ［9］ 李建玲毛宗强徐景明．直接甲醇燃料电池膜电极电化学性 能影响因素．电池200232（1）：17 ［10］ Shukla A KChristensen P ADickinson A Jet al．A liquid fee solid polymer electrolyte direct methanol fuel cell operating at ambient conditions．J Power Sources199876（1）：54 Electrochemical performance of a direct methanol fuel cell LIN CaishunZHA NG HongfeiWA NG ShuyanWA NG Xindong Metallurgical and Ecological Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Using Pt－Ru／C and Pt／C as anode and cathode catalyststhe membrane electrode assembly was prepared and a single direct methanol fuel cell system was installed．The electrochemical performance of a direct methanol fuel cell （DMFC） at different technological parameters such as methanol flowmethanol concentrationmethanol temperature and humidifying air temperature was investigated by means of steady-state galvanostatic and potentiostatic polarization．The experimental result shows that the output current density and power density were68mA·cm －2and14∙8mW·cm －2respectively with ambient air as cathode oxidant when the working temperature was25℃ and the output voltage was0∙22V．The four technological parameters significantly affected the performance of a direct methanol fuel cell．In the experimentthe optimum technological parameters were the methanol flow of2mL·min －1the methanol concentration of2mol·L －1the methanol temperature of 30℃ and the humidifying air temperature of 40～60℃． KEY WORDS direct methanol fuel cell （DMFC）；electrochemical performance；membrane electrode；technological parameters 第5期 林才顺等： 直接甲醇燃料电池电化学性能 ·489·