直接乙醇燃料電池初探

第8卷第1期電化學(xué)Vol 8 No. 12002年2月ELECTROCHEMISTRYFeb.2002研究簡(jiǎn)報文章編號1006-34712002)1-01050直接乙醇燃料電池初探宋樹(shù)芹陳利康2劉建國魏昭彬l辛勤11.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所遼寧大連1160232.安徽省寧國天成電器有限公司安徽寧國242321摘要:采用商品化的PRu/C和PC分別作乙醇陽(yáng)電極和氧氣陰電極的催化劑 Nafion15膜作固體電解質(zhì)組裝成面積為9cm2的單池考察了電池溫度、氧氣壓力、乙醇濃度及流量等對電池性能的影響實(shí)驗結果表眀在電池溫度為δ5℃乙醇濃度為1.0mol/L流量為0.5mL/mi氧氣壓力為0.5MPa流量為68ml/min條件下電池開(kāi)路電壓為0.608V電流密度50mMcm3時(shí)的放電端電壓為0.329V電池最大功率密度為19.25mW/cm2關(guān)鍵詞:直接乙醇燃料電池膜電極聚合物電解質(zhì)灬 afion膜電池性能中圖分類(lèi)號:TM911.4文獻標識碼:A直接液體進(jìn)樣固體聚合物電解質(zhì)燃料電池( Direct Liquid- feed Solid Polymer ElectrolyteFuel cell〕由于其操作簡(jiǎn)單燃料易于儲存和攜帶有望成為氬氧燃料電池可移動(dòng)動(dòng)力源的替代產(chǎn)品1-5].目前直接甲醇燃料電池是世界上許多國家研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)且已取得了可喜的成績(jì)但甲醇有相當高的毒性刺激人視神經(jīng)過(guò)量導致失明.對此要想實(shí)現低溫燃料電池在諸如手機、筆記本電腦以及電動(dòng)車(chē)等可移動(dòng)電源領(lǐng)域的應用很有必要探索以其它的液體燃料來(lái)代替髙毒性甲醇.從20世紀50年代以來(lái)研究發(fā)現柢碳烷醇特別是Cl-C5的伯醇可在P/C及PRu/C電極上直接氧化.其中人們最感興趣的是乙醇從結構上看它是鏈醇中最簡(jiǎn)單的有機小分子同時(shí),它能夠通過(guò)農作物發(fā)酵大量生產(chǎn)也可以從生物質(zhì)中制得來(lái)源廣泛是可再生能源.因此對直接乙醇固體電解質(zhì)燃料電池的研究不僅有理論上的意義而且旦研制成功實(shí)際應用潛力十分廣闊.直接乙醇燃料電池以乙醇水溶液作為燃料其電極反應如下陽(yáng)極x2 HS OH aq)+3H2O—2CO2+12H++12eE0=0.087V陰極:1/2O2+2H++2e—H2O(2)反應X2 HsOH aq)+3O22O2+3HOE0=1.142V(3)式1示出乙醇完全電氧化生成二氧化碳和水是一個(gè)12電子轉移過(guò)程并須斷裂CC鍵與甲醇完全電氧化的6電子轉移過(guò)程相比反應更困難過(guò)程復雜中間產(chǎn)物多極易引起催化劑收稿日期2001-07-22,修訂日期:2001-0929106電化學(xué)2002年中毒.此外由于 Nafion膜在乙醇水溶液中的溶脹系數變大所造成的催化層與電解質(zhì)膜的剝離現象較明顯導致電池性能顯著(zhù)下降從而在具體研制過(guò)程中需要解決旳技術(shù)問(wèn)題也更棘手.目前世界上有關(guān)直接乙醇燃料電池的研究大多還處于機理階段6-131或者僅將乙醇重整制成氬氣作為燃料電池的氫來(lái)源-15]本文初步探索了直接乙醇燃料電池性能及其在放電運轉過(guò)程中操作溫度氰氣壓力和乙醇濃度及反應物的進(jìn)樣速率等因素對單電池極化曲線(xiàn)的影響實(shí)驗部分1.1電解質(zhì)膜的預處理16-17將 Nafion115膜先后在3%~5%過(guò)氧化氫水溶液和0.5mol/LHSO4水溶液中80℃水浴處理1h除去有機雜質(zhì)和金屬離子再于去離子水中80℃水浴處理1h除去殘余的酸最后將其置于去離子水中備用1.2膜電極(MEA制備乙醇電極催化劑為PtRu/C(20wt%Pt10wt% Ru Johnson Matthey),氧電極催化劑為P/C(20wPt% Johnson Matthey)電極制備方法為:用憎水處理后的碳紙作支撐層陽(yáng)極上涂一層 Nafion溶液和XC圖1直接乙醇燃料電池結構示意圖72碳粉均勻混合物作為擴散層晾干后在Ⅰ緊固螺絲孔2、8環(huán)銹鋼極板3、7磨封框擴散層上涂抹一層 Nafion溶液和PtRu/C4、6渫集流網(wǎng)5膜電極三合墨狀混合物作為催化層.陰極制備工藝與Fig. I Schematic diagram of DEFC structure陽(yáng)極相同,只是擴散層用PTFE替代I)alignmnt hole 2,8)stainless steel blockNafion溶液催化層用PTFE和Pt/C代替3.7) gasket 4,6 urrent collector 5 )merNafion和PRuC混合物進(jìn)行涂層.MEAbrane and electrode assembly制備方法為:將表面噴有 Nafion溶液的陽(yáng)極和陰極置于 Nafion膜兩側催化層面向膜然后將上述組件置于兩不銹鋼板中間于油壓機上在140℃、2.5MPa壓力保持90s成型即得到三合一膜電極組件13單電池的組裝將MEA固定在兩塊帶有點(diǎn)狀流場(chǎng)的不銹鋼極板之間組裝成單電池電池有效面積為cm2如圖1所示然后用液體泵將預熱后的乙醇溶液注入陽(yáng)電極室.陰極室保持常壓將電池溫度升到所需溫度開(kāi)路保持2~3h.陰極室中充入一定壓力氧氣待電池性能穩定后測定不同操作條件下電池放電性能曲線(xiàn)第1期宋樹(shù)芹等直接乙醇燃料電池初探1072結果和討論2.1溫度對電池性能的影響電池溫度對電池極化曲線(xiàn)影響如圖2所示.圖c75℃中示出電池性能隨著(zhù)溫度的升高而提高尤其是高一△-65℃℃電流密度下75℃以上時(shí)電池性能的提高更為顯03一-:5℃著(zhù).這主要是因為(1升高溫度有利于提高催化劑0.2對乙醇的電催化活性和改善電極動(dòng)力學(xué)性能(2)0.1較高的溫度有利于提高電解質(zhì)膜傳導質(zhì)子的能力00雖然提高電池溫度有利于電池性能的提高但在較rmA·cm高溫度下易脫水變干故操作溫度一般不宜過(guò)高本實(shí)驗中多數選擇75℃最高一般不超過(guò)85℃圖2溫度對電池性能的影響Fig. 2 Effect of temperature on a cell perfor2.2乙醇流量及其濃度對電池性能的影響mance ' ethanol 1.0 mol/L ' Po 0. 2不同乙醇水溶液流量對電池性能的影響如圖所示.實(shí)驗表明:低流量時(shí),如0.2ml/min,反應生成的中間產(chǎn)物、二氧化碳及其它產(chǎn)物不能隨乙醇水溶液及時(shí)排出陽(yáng)極室這不僅造成催化劑更易中毒且由于二氧化碳覆蓋催化劑活性位抑制乙醇在催化劑上反應從而使電池性能變差.尤其是在高髙電流密度下易造成燃料供應不足,引起濃差極化導致電池性能明顯下降.但流量高于θ.5ml/min時(shí)電池性能也顯著(zhù)下降這主要是乙醇滲透到陰極造成氧陰極放電性能惡化所致.圖4給岀了不同乙醇水溶液濃度對電池極化曲線(xiàn)的影響.乙醇濃度較低如0.5mo/L或1.0mo/L電池的開(kāi)路電壓略高于0.6V而在相同電流密度下放電時(shí)端電壓也較高其原因是此際乙醇向氧陰極滲透度較低.但在此濃度(0.5mo/L)時(shí)于高電流密度下電池性能下降幅度明顯變大這主要是受擴散因素控制所致.而在高濃度時(shí)進(jìn)樣到催化層的反應物太多來(lái)不及完全反應而積聚在電解質(zhì)膜陽(yáng)極側的乙醇將透過(guò) Nafion膜由陽(yáng)極室向陰極室滲透并在陰極形成混合電位且毒化陰極催化劑造成電池性能下降.實(shí)驗得岀最佳的乙醇濃度和進(jìn)樣流量分別為1.0no/L和0.5ml/min2.3氧氣壓力對電池性能的影響圖5所示電池性能隨氧氣壓力的變化.結果很明顯隨著(zhù)氧氣壓力的增加電池開(kāi)路電壓和放電性能均增加.顯然增加氧氣壓力不僅可以在膜的陰極側造成一定的壓力有利于抑制乙醇的滲透洏且還可以提高氧電極動(dòng)力學(xué)速度尤其是在高電流密度下較高的氧氣壓力將使電極的三相反應區有足夠的氧氣供給由圖5看出在小于常壓條件下如P=0.04MPa電池性能隨電流密度增加下降較快.2.4氧氣流量對電池性能的影響方程3炲出乙醇完全氧化的反應式看出其中氧與乙醇的化學(xué)計量比為3:1.實(shí)驗按其108電化學(xué)一0.2m/in00.5m1/I. hoI/t-A-I (nL/min-3(mo1/L04l.■nl0.2020406080100120140204060801001i/mA·cm圖3乙醇流量對電池性能的影響圖4乙醇濃度對電池性能的影響Fig 3 Effect of ethanol flow rate on the performance Fig 4 Effect of ethanol concentratio on the perforof defc at85℃mance of deFCethanol 1.0 moV/L Po, 1. 2 MPars=85℃;P,D.5MPa2053. -( 3MHa00200.LimA·cmmA圖5不同氧氣壓力條件下的電池極化曲線(xiàn)圖6直接乙醇燃料電池極化曲線(xiàn)和功率密度曲線(xiàn)Fig. 5 The polarization curves for DEFC at various Fig. 6 Polarization and power density curves for theoxygen pressuredirect ethanol fuel cell at 85 CTn=85℃ thanol 1.0mo/LC2H5OH I mol/L iPo.=0.5 MPa O性能最好而當氧氣流量低時(shí)由于生成的水不易及時(shí)排出造成催化劑被水淹死無(wú)法建立三相界面平衡反應物達不到催化反應位從而使電池性能下降當氧氣流量太大時(shí)則易造成陰極側膜相對較干造成№ afion膜的導質(zhì)子能力減緩結果使電池性能下降由(3地可以看出乙醇完全電氧化的電池電壓理論值為1.142V但即使在無(wú)負載情況下本文所組裝的電池電壓亦僅在0.6V左右說(shuō)眀催化劑對乙醇的電催化活性比較低這就為催化劑的研制和開(kāi)發(fā)提岀了新的挑戰希望能研制出一種對乙醇電催化活性高且對乙醇電氧化中間產(chǎn)物具有抗毒性的催化劑.由于反應產(chǎn)物必須達到催化活性位在電催化劑的作用下第1期宋樹(shù)芹等直接乙醇燃料電池初探109擴散層和催化層所用的物種種類(lèi)及其組成都對電池性能有明顯的影響.尤其是 Nafion膜在乙醇中溶脹更嚴重催化層更易與其剝離導致內阻增大再加上乙醇能透過(guò) Nafion膜從陽(yáng)極向陰極滲透問(wèn)題這就要求再進(jìn)一步優(yōu)化膜電極結構旳同時(shí)嘗試應用新的固體電解質(zhì)膜,以期能在一定程度上解決剝離和滲透問(wèn)題.結論對直接乙醇燃料電池的初步探索是基于直接甲醇燃料電池發(fā)展的基礎之上的由本實(shí)驗結果可知提高電池溫度和增加氧氣壓力有利于電池性能的提高選擇85℃對其它條件進(jìn)行優(yōu)化得氧氣最佳壓力為0.5MPa.乙醇最佳進(jìn)樣量為0.5mL/min,氧氣流量最佳值為68m/min.乙醇濃度1.0mo/L為宜.在上述條件下電池最大功率密度可達19.25mW/cm2(見(jiàn)圖與直接甲醇燃料電池性能相比直接乙醇燃料電池性能還相對較低主要是因為乙醇完全氧化是一12電子轉移過(guò)程且須斷裂CC鍵反應復雜中間產(chǎn)物多這就要求開(kāi)發(fā)新的對乙醇具有高電催化活性的催化劑.從實(shí)用的角度講對于醇類(lèi)燃料電池尤其是在酸性介質(zhì)中鉑是最好的電催化劑以鉑基催化劑為基礎分別從斷CC鍵及減少中間產(chǎn)物對鉑的毒化角度考慮加入第二種金屬或第三種金屬調變鉑基催化劑活性從而研究開(kāi)發(fā)新型高效的電催化劑是直接乙醇燃料電池今后研究的重點(diǎn)之一Preliminary Study on Direct Ethanol Fuel CellSONG Shu-qin HEN Li-kang, LIU Jian-guo WEI Zhao-bin!XIN Qin(1. Dalian Inst Of Chem. Phys. Chinese acad. Of Sci. Dalian 116023 china2. Anhui Ningguo Tiancheng electric Co., LTD Ningguo 242321, ChinaAbstract: The performance of a direct ethanol fuel cell based on Nafion115 was reportedPtRu/C and Pt/C were used as ethanol anode and oxygen cathode catalysts in a single cell of size9 cm. The effects of temperature oxygen pressure the flow rate of ethanol and oxygen, andethanol concentration were tentatively studied The experimental results showed that the cell opencircuit voltage 0. 608 V ,the cell voltage 0. 329 V at 50 mA/cm",and the peak power density19.25 mW/cm2 were reached under the conditions of T cell=85 C Pox=0.5 MPa, Cethanol=1.0/L and with the flow rate of ethanol and oxygen being 0. 5 mL/ min and 68 mL/ min separateKey words Direct ethanol fuel cell( DEFC )Membrane electrode assembly(MEA)Nafionmembrane fell performance110電化學(xué)References[1] Surampudi S, Narayanan SR, Vamos E , et al. 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