PDF《直接甲醇燃料电池动态性能的研究》

280 mA/cm2 和27.5 mW/cm2 . 实 际电池中的不可逆损失(也叫极化、过电势或过电 压)主要有

3 部分:活化极化、欧姆极化、浓差极 化. 在低电流密度区 (A 区) , 活化极化起主导作用, 活化极化取决于电极表面甲醇氧化反应的电化学 活性.随着电流密度的增加(B 区) ,欧姆极化起主 导作用,欧姆极化产生的原因是燃料电池电极、电 解质和极板内进行电子、质子传导时产生的电阻. 在高电流密度区(C 区) ,浓差极化起主导作用, 浓差极化产生的原因是受传质影响造成的催化剂 表面反应物供给不足[12] . 电池稳态性能实验说明了 本文所用系统能满足测试要求,同时电池稳态性能 的极化曲线有助于理解电池工作的基本过程,也是 分析动态现象的基础. 0.6 0.4 0.2 0.0 S 实验数据 V 实验数据 极限电流 A B C

50 100

150 200

250 300

0 0

10 20

30 S /mW/cm ?

2 V /V J/(mA/cm2 ) 图2电池的稳态性能曲线(实测) Fig.2 Steady-state performance curve(detective) 3.2 动态性能 本文动态性能实验主要是在稳态实验的基础 上, 一定的工况下 (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) ,通过计算机控制电流在开 路和加载之间的波形的变化,研究电池电压信号的 第6期汪茂海等: 直接甲醇燃料电池动态性能的研究

163 动态响应.电流动态变化的波形有矩形波、三角形 波、梯形波,对应的实际应用情况有加速、减速、 瞬间加载/卸载、持续加载/卸载等.影响 DMFC 动 态性能的因素有:电化学反应的响应、电极和膜之 间界面上的充电特性、甲醇经过扩散层和催化剂层 的传递、甲醇窜流、氧气在阴极的传递、阳极二氧 化碳的产生和释放、二氧化碳和甲醇溶液形成的两 相流、 电池的温度响应等[13-15] . 上述因素相互作用, 各因素对电池动态性能的影响程度与加载电流的 大小,加载的快慢等有直接的关系. 图3所示为电流瞬间上升后定电流放电 60s, 然后瞬间卸载,开路停留 60s 后重新加载,重复这 样的过程, 考察瞬间加载/卸载及电流大小变化时电 压信号的动态响应,见图 3(a).图3(b)和图 3(c) 分别表示的是瞬间卸载和瞬间加载时电池电压的 响应过程及卸载和加载电流大小对电压响应的影 响,图中的横坐标是相对时间,分别用卸载瞬间和 加载瞬间作为相对时间的零点.从图

3 可以看到, 从开路瞬间加载到 1A 和2A, 电池的开路电压骤降 到一个低值,然后又迅速回升,而加载到 5A,却 没有回升现象,原因可能是瞬间加载到一个低的电 流时,会使得阳极反应区的甲醇浓度瞬间降低,造 成甲醇供给不足,电池性能瞬间急剧下降,随后甲 醇又会迅速补充到反应区,使得电压立刻回升.当 加载到一个高的电流时,由于产生高电流需要更多 的甲醇参与反应,同时高的电流也会产生更多的二 氧化碳汽泡,汽泡从催化层向扩散层传递的同时会 阻碍甲醇从扩散层向催化层的传递,所以高电流 时,甲醇向催化层的传质不足使得电压不但没有恢 复,而且还随着时间略有下降.加载到 1A 时电压 下降到的最低值和恢复后的电压值的差要比加载 到2A 时大,也就是说,加载的电流越小,电压恢 复能力也越强.从放电状态跳到开路时,电池的开 路电压会在瞬时跳到比正常开路高的多的值,然后 渐渐回落到正常的开路电压,原因是正常反应时, 传递到催化剂层的甲醇部分被反应所消耗,阳阴极 甲醇浓度差较小,忽然停止反应时,由于甲醇来不 及传递到催化剂层,阳阴极的甲醇浓度差要比正常 开路状态时小,因扩散引起的甲醇窜流减少,从而 降低电池的过电势,使得电压跳到一个高值,然后 在膜的阳极侧,由于没有反应,甲醇浓度会很快升 高,这样由扩散引起的甲醇窜流会迅速增加,使得 电池的开路电压渐渐回落.从5A 突变到开路的瞬 时,电压上升得最高,原因可能是高电流时,大部 分传递到催化剂层的甲醇都被反应掉,膜的阳极侧 甲醇浓度低,由扩散作用引起的甲醇窜流更少,过 电势也更小,这样电压会瞬时跳跃到一个更高的开 路电压.图中的负载变化代表了实际应用中这样的 情况:突然启动到一定功率并在此功率下工作一段 时候后突然停止工作.从图中可以看出,电池能对 功率需求变化做出快速的响应.