魏永生1，朱紅2，郭玉寶1，郭志軍1，張新衛(wèi)1

(1.北京交通大學理學院，北京100044；2.北京化工大學理學院，北京100029)

摘要：以新型阻醇材料Na2Ti3O7/Nafion復合膜為質(zhì)子交換膜，利用熱壓法制備膜電極(MEA)，對直接甲醇單電池進行測試。考察了電池溫度、陰極加濕溫度、甲醇濃度、甲醇流速和空氣流速5個參數(shù)對直接甲醇燃料電池極化曲線性能的影響。實驗結(jié)果表明，電池溫度對電池性能的影響較為明顯，提高電池溫度有利于得到較好的電池性能。甲醇濃度對電池性能影響也比較明顯，較低甲醇濃度有利于提高電池性能。甲醇流速和空氣流速對電池性能的影響較小，陰極加濕溫度對電池性能幾乎沒有影響。通過分析優(yōu)化，該直接甲醇燃料電池的電池性能最佳工作條件是在80℃情況下，低電流密度工作區(qū)采用較低濃度甲醇溶液，高電流密度工作區(qū)采用高濃度甲醇溶液。

人類進入21世紀以來，全球性能源短缺問題日趨突出，急切尋求潔凈而又可再生的新能源。燃料電池正是以其高效和清潔的特點，適應了可持續(xù)發(fā)展的要求，因此受到國內(nèi)外越來越廣泛的重視。燃料電池與常規(guī)動力技術(shù)相比，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料多樣化、噪聲低、環(huán)境友好、既可分散供電也可集中供電等突出的優(yōu)越性，已被公認為是首選的潔凈、高效的新能源動力技術(shù)，是當今世界新能源研究的熱點之一。

直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)是直接利用甲醇水溶液作為燃料的一種質(zhì)子交換膜燃料電池，除具有質(zhì)子交換膜燃料電池已有特點外，還具有體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高，燃料來源豐富、價格低廉，儲存攜帶方便，安全性高的特點。能夠長時間連續(xù)提供電能、更換燃料方便，因此，在手機、筆記本電腦、攝像機、掌上電腦、游戲機、音樂播放器以及醫(yī)療裝置系統(tǒng)等小型民用電源、航天器電源、微電子機械系統(tǒng)電源等方面，可以大范圍滿足便攜式電子設備日益提高的能耗需求，最有可能補充和替代目前廣泛使用的蓄電池、鋰離子電池，成為理想的動力電源，具有難以估量的商業(yè)潛力。

甲醇透過質(zhì)子交換膜的問題是直接甲醇燃料電池技術(shù)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)之一，為開發(fā)比現(xiàn)有全氟磺酸膜性能更好的阻醇膜，人們采用各種技術(shù)和方法來改善全氟磺酸膜和烴類質(zhì)子交換膜的性能，包括：雜化、共混、酸基絡合、輻射-接枝和等離子體刻蝕等，以滿足DMFC實際應用的要求。在這些眾多的技術(shù)中，都取得了有益的結(jié)果，但這些技術(shù)都有一個共同的缺陷：以犧牲質(zhì)子交換膜的某一性能(如機械性能、質(zhì)子傳導性能或成本)來提高膜的阻醇性能。

本文作者采用實驗室自合成的新型阻醇膜材料Na2Ti3O7/Nafion復合膜，對該種阻醇膜的單電池性能進行測試，從電池溫度、甲醇濃度、甲醇流速、空氣流速和加濕溫度等方面對燃料電池操作條件進行分析、優(yōu)化，從而找到合適的操作條件參數(shù)。

1實驗部分

單電池性能測試之前，首先將待測復合膜利用熱壓法制成為直接甲醇燃料電池用的膜電極，然后將其組裝到單電池里面，最后進行電池性能的各項性能測試。

1.1膜電極(MEA)制備

1)準備好待測試的阻醇膜和電極材料，其中陽極催化劑為Pt/Ru擔載量4mg/cm2；陰極催化劑為Pt擔載量4mg/cm2。

2)開啟壓膜機系統(tǒng)，設置加熱溫度在120℃。

3)按照陽極在下面，膜樣品在中間，陰極在上側(cè)的順序，依次擺放好，即待壓制的MEA。

4)用兩塊金屬板將待壓制的MEA夾緊，將其送入到壓膜機的中心位置，使壓膜機兩側(cè)輕輕接觸金屬板。此時壓膜機溫度會下降并發(fā)生波動，待其平衡穩(wěn)定后方可用以測試。

5)壓膜機溫度穩(wěn)定后，對待壓MEA加壓，保持在p=6.8MPa位置持續(xù)120s，然后釋壓。

6)將壓制好的MEA取出，自然冷卻至室溫。

1.2單電池組裝及性能測試方法

1)準備好安裝單電池的全部組件和待測試的MEA。

2)將金屬夾板、金屬電板、集流板、絕緣墊、MEA從下到上依次按照從陽極到陰極的順序組裝好。

3)連接好11根管線，陰陽極進料口、出料口、加熱棒、電壓線、電流線和溫度測試線。

4)配制好甲醇溶液，準備好空氣源，通入進料并活化新制燃料單電池。

5)待新電池性能穩(wěn)定后，測試V-I極化曲線。

2結(jié)果與討論

2.1電池溫度

本文做了一系列實驗來考察燃料電池溫度對Na2Ti3O7/Nafion復合膜單電池性能的影響。

在陽極進口處的甲醇濃度分別為0.5、1、2、4、6mol/L時，總的來說，單電池性能與電池溫度成同向增長關(guān)系。

從圖1可以看出，隨著電池溫度的升高，電池性能也隨之提高。同時，發(fā)現(xiàn)電池溫度的升高在一定程度上提高了單電池的開路電壓。

例如圖1(a)在80℃時，開路電壓是0.56V，而40℃僅有0.48V。在低壓區(qū)，例如0.2V時，電流密度受到電池溫度影響很大。1mol/L時，電流密度從40℃時候的.08A/cm2增加到80℃時的0.39A/cm2；2mol/L時，電流密度從40℃時候的0.18A/cm2增加到80℃時的0.525A/cm2；這說明溫度的提高改善了電池反應動力和速率，提高了電池效率。

因此，電池溫度對其是正作用影響，在高溫區(qū)70℃、80℃時電池性能相對較好。

2.2陰極加濕溫度

陰極加濕溫度對于質(zhì)子交換膜燃料電池來說是非常重要的一個操作參數(shù)，我們研究了陰極加濕溫度對直接甲醇燃料電池的影響作用。從圖2(甲醇濃度為1mol/L)的結(jié)果可以看到，隨著陰極加濕溫度的升高，燃料電池性能是下降的，這可能是由于甲醇燃料中，甲醇溶液通過復合膜滲透到陰極，從而產(chǎn)生部分水淹，在陰極加濕加劇水淹對電池性能的影響。

因此，陰極加濕溫度對直接甲醇燃料電池來說的影響是微乎其微的，可以忽略。

2.3甲醇濃度

陽極進料甲醇溶液的濃度是影響直接甲醇燃料電池性能的另外一個重要參數(shù)。我們主要考察了甲醇溶液濃度在1、2、4、6mol/L時對電池性能的影響。實驗結(jié)果圖3所示，從圖中可以看到，甲醇溶液濃度的增大會降低燃料電池的性能，這主要是由于甲醇溶液濃度增大后，甲醇透過率也變大，削弱了陰極催化劑的反應性能，從而影響了電池的陰極性能。我們還發(fā)現(xiàn)，甲醇溶液濃度的增加還會降低電池的開路電壓。另一方面，甲醇溶液濃度為1mol/L時的電池性能極化曲線呈現(xiàn)變形，并且在高電流密度區(qū)出現(xiàn)快速下降。因此，在高電流密度區(qū)盡量采用高濃度甲醇，在低電流密度區(qū)，采用低濃度甲醇溶液。例如在圖3(b)，在低電流密度區(qū)小于0.3A/cm2應該采用1mol/L甲醇溶液，高電流密度區(qū)大于0.3A/cm2采用2mol/L甲醇溶液。

2.4甲醇流速

為考察甲醇溶液的流速對燃料電池性能影響，我們做了一系列實驗。甲醇溶液流速從1mL/min到12mL/min不等5組對比實驗，極化曲線結(jié)果如圖4所示。從圖4結(jié)果可以得到，當電池陽極進口處的甲醇溶液流速從1到12mL/min逐漸增加時，燃料電池性能反而下降。這主要是因為當增加甲醇溶液流速時，單位時間內(nèi)從陽極滲透到陰極的甲醇量也會增加，甲醇溶液會覆蓋陰極催化劑，影響陰極催化反應；同時，甲醇在陰極發(fā)生副反應，降低電池兩端電位。其綜合作用導致了燃料電池性能的下降。因此，在實驗時盡量采用相對較低的甲醇溶液流速。總的來說，甲醇流速對電池性能有微弱的影響。

2.5空氣流速

圖5所示的是陰極進口處空氣流速對燃料電池性能的影響。從圖5可以看到，隨著空氣流速的增快，燃料電池性能有所提高，但是增加幅度不大。這主要是由于隨著空氣流速的增快，氧氣量也增加，從而提高了陰極反應速率，提高陰極的性能。所以，在燃料電池中一般盡量采取較高的空氣流速。在我們的實驗中，600mL/min以上的流速對于增加電池性能的空間很小，一般采用600mL/min的空氣流速。

2.6參數(shù)優(yōu)化

通過以上實驗，可以看到電池溫度、陰極加濕溫度、甲醇濃度、甲醇流速和空氣流速5個操作條件參數(shù)對直接甲醇燃料電池的性能影響程度是不同的。

按照影響程度的不同，可以分為3類參數(shù)，一是影響較為明顯的參數(shù)；二是對電池性能有影響但是影響較微弱的參數(shù)；三是對電池性能幾乎無影響的參數(shù)。

按照這種參數(shù)分類原則，電池溫度和甲醇濃度是第1類參數(shù)，甲醇流速和空氣流速是第2類參數(shù)，陰極加濕溫度屬于第3類參數(shù)。

我們對電池性能影響較大的第1類參數(shù)進行優(yōu)化，即較高溫度和較低濃度的電池性能極化曲線進行對比分析，結(jié)果見圖6。電池性能最高的是80℃情況下，甲醇溶液濃度在1mol/L和2mol/L的時候。因此，我們的實驗條件下的優(yōu)化結(jié)果是在80℃情況下，低電流密度區(qū)采用較低濃度甲醇溶液，高電流密度區(qū)采用高濃度甲醇溶液。

3結(jié)論

通過熱壓法制備了直接甲醇燃料電池MEA，并將其組裝直接甲醇燃料電池進行極化曲線性能測試。主要考察了電池溫度、陰極加濕溫度、甲醇濃度、甲醇流速和空氣流速5個操作參數(shù)對燃料電池性能的影響。實驗結(jié)果表明，電池溫度和甲醇濃度對直接甲醇燃料電池的影響比較明顯，陰極加濕溫度對燃料電池性能幾乎沒有影響。我們對直接甲醇燃料電池性能影響明顯的參數(shù)進行分析優(yōu)化，結(jié)論是優(yōu)化結(jié)果是在80℃情況下，低電流密度工作區(qū)采用較低濃度甲醇溶液，高電流密度工作區(qū)采用高濃度甲醇溶液。