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·