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