直接甲醇燃料电池的环境增湿影响分析

直接甲醇燃料电池在近几年流行起的来主要原因，是由于绿色环保能源正成为政府与企业关心的话题。直接甲醇燃料电池以其出色的性能与环保特性受到了广泛关注。但网络上关于其的相关资料却较难收集，在本文中，小编就将与直接甲醇燃料电池空气阴极实验有关的相关知识进行介绍。

单电池性能

图1DMFC的V-1曲线和功率密度曲线

图1为活化后的DMFC膜电极的V-I曲线和功率密度曲线。活化试验条件：膜电极放入电池测试装置中，阳极通甲醇溶液，接着停止蠕动泵运转，让静止甲醇溶液缓慢扩散；阴极利用空气自然扩散，然后在35℃下，小电流密度放电运转9h。其性能测试试验条件为：低温、常压，甲醇浓度1.5mol/L，电池温度35℃，甲醇流速2.5mL/min，阴极为自然空气进料。

阴极空气由小型空气泵输送，经过空气流量计，进入第1个增湿器。当空气增湿以后，接着进入第2个增湿器，最后进入电池阴极，其中2个增湿器的温度均由恒温水浴槽控制。第1个增湿器主要起空气增湿和温控作用，第2个增湿器主要是为了防止增湿空气把水带入电池阴极，造成水淹阴极，影响电池性能，起缓冲和温控作用。从图1看出，当单电池的输出电压为0.277V时，其输出电流密度和峰值功率密度分别达到142.6mA/cm²，39.5mW/cm²。

图2空气增湿对DMFC性能的影响

阴极空气增湿对电池的稳态电流-电压极化曲线有显著影响。阴极空气经过增湿以后的电池性能明显要好于未增湿的，主要原因在于空气阴极的水平衡失衡而导致膜的质子传输困难，电池性能下降。如果空气阴极一侧生成的水和阳极甲醇溶液，通过Nafion膜扩散到阴极上的水不足以弥补阴极中大量空气带出去的水分时，阴极水平衡就会被破坏，造成空气电极一侧质子交换膜失水变干，引起膜的质子传输困难和膜电极结构变化（如膜失水收缩会造成催化层和膜的接触松动等），导致电池性能下降。

空气增湿温度对电池性能的影响

图3不同空气增湿温度对电池V-1曲线的影响

图4空气增湿温度与DMFC性能之间的关系

图3示出了不同空气增湿温度对电池V-I曲线的影响，图4示出了空气增湿温度对电池功率密度曲线的影响。由于DMFC使用的是甲醇溶液，相对于PEMFC而言，能够更好地保持Na-fion117膜水平衡和提高膜的导电率。关于阴极空气增湿温度对电池性能影响的文献报道并不多，试验中发现，空气增湿温度对电池性能有着较大的影响。

图3图4表明，随着空气增湿温度的提高，电池性能提高幅度较大。在其他工艺参数相同条件下，当空气增湿温度为30℃时，电池开路电压为0.581V，电池峰值功率为10.319mW/cm²；而当空气增湿温度提高到60℃时，电池开路电压为0.721V，电池峰值功率可以达到12.869mW/cm²。增湿温度的提高，一方面使电池温度上升，加快了阴极电化学反应的速率；另一方面也使空气获得了较多的水分，从而弥补了空气带出电池外的水分损失，在一定程度上保证了膜电极的水平衡，避免了Nafion117膜因水分损失过多而造成的膜干涸以及膜电阻急剧上升。同时，试验还表明，空气增湿温度过高，引起空气湿度过大，带入的水分过多，以及电池在较大电流密度放电情况下，阴极反应产物水会大量增加，致使空气来不及把阴极的水分吹扫和排出，极易在阴极流场造成“电极水淹”现象，导致电池性能下降。因此，空气增湿温度一般控制在40~60℃之间为宜。

空气流量对电池性能的影响

图5

图5出示了400、670、1000mL/min空气流量对电池性能的影响。可以看出，空气流量为670mL/min时，电池性能最好。空气流量太低阴极反应物氧气浓度降低，电池性能下降；空气流量过高，虽然会提高阴极反应物氧气的量，但是在氧气足够满足阴极反应的情况下，仅增加氧气并不有利于电池性能的提高，相反还会引起阴极的水被大量带走，导致阴极水平衡失衡，膜电极内阻上升，电池性能下降。

在以上的内容中，本文通过分别以Pt-Ru/C和Pt/C为阳极和阴极催化剂自制膜电极，组装了DMFC单电池以及测试系统。利用稳态电流-电压极化曲线法，研究了空气增湿、空气增湿温度以及空气流量对DMFC电化学性能的影响。研究结果表明，空气增湿的电池性能明显好于未空气增湿的电池性能，空气增湿温度和空气流量的最佳运行工艺参数分别为40~60℃和670mL/min。在35℃和常压条件下，当DMFC输出电压为0.277V时，其输出电流密度和峰值功率密度分别可以达到142.6mA/cm²和39.5mW/cm²。

本文通过对直接甲醇燃料电池阴极实验部分的介绍，帮助读者们对于该环保新型电池的特性，以及在不同温度下呈现出的不同反应进行了全面的介绍。直接甲醇燃料电池在未来的应用将非常之广泛，在此之前对其进行较为全面的了解是非常有必要的。