PDF《直接甲醇燃料电池动态性能的研究》

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2 2 CH OH 3/ 2O CO 2H O + → + (3) 与氢氧燃料电池相比,直接甲醇燃料电池的主 要技术问题是低的阳极活性和甲醇窜流.阳极活性 低是因为阳极反应需要转换

6 个电子,而且反应过 程中会产生中间产物使催化剂中毒[7] .甲醇窜流是 指反应过程中阳极甲醇在扩散和电渗作用下经质 子交换膜到达阴极,窜流到阴极的甲醇会和阴极催 化剂发生反应,造成过电势,降低电池性能[8-9] . 目前,大部分有关 DMFCs 的研究活动集中在 如何提高直接甲醇燃料电池的稳态性能.而在移动 电源应用方面,功率需求、外部环境等是经常发生 变化的,因此,电池在负载、外部环境变化时的动 态响应特性的研究对于工程应用很重要[10-11] .国内 还未见文献报道 DMFCs 的动态特性.

162 中国电机工程学报第25 卷 本文利用自行设计的直接甲醇燃料电池及其 测试系统,实验研究了直接甲醇燃料电池单电池在 负载动态变化时的性能.

2 实验 2.1 实验系统 液相进料的直接甲醇燃料电池测试系统如图

1 所示.甲醇和氧气的流量分别通过泵和流量调节阀 控制.采用露点加湿器加湿氧气,为了能给电池提 供干氧气,通过一个三通阀在加湿器旁边设计了旁 路.氧气和甲醇溶液在进电池前经加热带预热.电 池阴阳极进口采用缓冲器减缓压力和流量的波动, 出口采用气-液分离器. 电池阴阳极的进出口压力通 过压力变送器和差压变送器获得.温度控制单元用 来控制电池温度.阴阳极侧的压力通过背压阀控 制.系统所用电子负载为 ARBIN FCTS LNR,该设 备能通过计算机控制电池负载按各种波形变化,同时, 系统运行时反应物的流量,电池进口温度,电 池的输出电压和电流亦可自动采集.

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7 C 桶;

2,

3 C 泵;

4, 19- 加热带;

5,

18 C 缓冲器;

6,

17 C 差压变送器;

8,

15 C 背压阀;

9 - CO2 放气阀;

10,

14 C 分离器;

11,

13 C 压力变送器;

12 C 直接甲醇燃料电池;

16 C 放水阀;

20 C 加湿器;

21 C 三通阀;

22 C 氧气瓶;

23 C 减压阀;

24 C截止阀;

25, 26,

27 C 流量调节阀;

28, 29, 30- 流量计;

31 C单向阀;

32 C 电子负载;

33 C 温度控制单元 图1直接甲醇燃料电池测试系统 Fig.

1 Diagram of liquid-feed DMFC test system 2.2 实验电池 实验用直接甲醇燃料电池有效面积为50cm2 , 电解质采用杜邦公司的Nafion117膜.分别用Pt/ Ru 和Pt/C作为阳极和阴极的催化剂,其中Pt/ Ru和Pt 的载量都为0.4mg/cm2 .阴阳极的扩散层采用碳布. 极板的材料是石墨,石墨板上刻有蛇形流道,矩形 截面流道的当量直径是0.8mm. 2.3 实验工质 阳极燃料为甲醇和去离子水配置成的一定浓 度的甲醇溶液.阴极氧化剂为纯氧.

3 结果与分析 3.1 稳态性能 实验的第一步是获得稳定状态下电池的性能 曲线,图2所示为一选定工况下(电池温度:80℃, 甲醇溶液浓度:1 mol/L,甲醇溶液流量:10.4 mL/min, 氧气流量:700mL/min,出口常压)电池的 稳态性能曲线.

1 为电池的极化曲线,极化曲线是 评价电池性能的一般形式.2 为电池功率密度和电 流密度关系曲线.电池在该工况下的极限电流密度 和功率密度能达到