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.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