工作条件对钛网基MEA性能的影响

汪兴兴，倪红军，朱 昱，万晓峰，马 骏

（南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019）

直接甲醇燃料电池（DMFC）被认为是小型便携式电源最有希望的代替品，成为当今研究热点之一[1-2]。MEA是DMFC的核心部件，通常由阳极、电解质膜和阴极构成。目前电解质膜一般采用全氟磺酸质子交换膜，如美国杜邦公司生产的Nafion系列膜。电极通常由扩散层和催化层组成。催化层是电化学反应发生的场所，阳极和阴极常用的催化剂分别为PtRu和Pt贵金属体系。扩散层在MEA中起支撑催化层、收集电流及传递物料等作用，它一般是由导电的多孔材料制成，现在使用的多为表面经过碳粉整平的碳纸、碳布和金属网[3-4]。人们研究了基于碳纸或碳布作为扩散层基底材料制备的MEA的性能及其影响因素，研究的工作条件因素主要包括工作温度、甲醇水溶液混合物浓度及流速、空气或氧气压力及流速等[5-9]。

本文以钛网基MEA为研究对象，在研究成型压力条件和成型温度条件对钛网基MEA性能影响[10-11]的基础上，进一步研究工作条件对钛网基MEA性能影响，主要包括阳极氧化剂种类、阳极电解液浓度和工作温度条件。

1 实验

采用钛网（厚度为250 μm，网孔为0.5 mm×1.2 mm）作为电极支撑体材料；以Vulcan XC-72、PTFE乳液（质量分数60%）和无水乙醇配制气体扩散层浆料，采用浸渍涂覆加空气中自然干燥的方法在钛网表面制备阴极气体扩散层；再以PtRu/XC-72R（Pt-40-Ru-质量分数20%）作为阳极催化剂，以无水乙醇作为分散剂配制阳极催化剂墨水，通过滴涂的方法在气体扩散层表面制备阴极催化剂层；以Pt/XC-72R（Pt-质量分数40%）作为阴极催化剂，以无水乙醇作为分散剂配制阳极催化剂墨水，采用滴涂的方法直接在钛网表面制备了钛网基MEA阳极和阴极；选用Nafion117作为质子交换膜；采用成型压力为5 MPa、成型温度为135℃和保压时间为180 s条件热压制备钛网基MEA[12]。

采用上海辰华仪器有限公司CHI660C电化学工作站的LSV功能进行MEA的极化性能测试，扫描电压频率为1 mV/s，初始电位为钛网基MEA的开路电压，终止电位取0 V，采样间隔为1 s。以1 mol/L甲醇+0.5 mol/L硫酸水溶液作为阳极电解液，分别在室温下空气自呼吸环境、室温下氧气环境、高温下空气自呼吸环境和高温下氧气环境四种条件下进行MEA的极化性能测试。

2 结果分析与讨论

2.1 阴极氧化剂种类对钛网基MEA性能的影响

图1和图2所示为以1 mol/L甲醇+0.5 mol/L硫酸作为阳极电解液，分别以自呼吸空气和0.1 MPa的100 mL/min氧气作为阴极氧化剂，以成型压力为5 MPa、成型温度为135℃、保压时间为180 s的钛网基MEA为研究对象，在常压条件下，测试了室温25℃和高温60℃下的极化性能曲线。结果表明无论是在室温25℃条件下还是在高温60℃条件下，阴极氧化剂采用0.1 MPa的100 mL/min氧气的功率密度峰值均高于采用自呼吸空气的功率密度峰值。25℃下采用0.1 MPa的100 mL/min氧气的功率密度峰值为5.19 mW/cm2，是采用自呼吸空气3.91 mW/cm2的1.33倍。60℃下采用0.1 MPa的100 mL/min氧气的功率密度峰值为13.83 mW/cm2，是采用自呼吸空气9.31 mW/cm2的1.49倍。相对于自呼吸空气，阴极持续通入0.1 MPa的100 mL/min氧气作为氧化剂，可以为钛网基MEA提供更充足的氧化剂，氧气浓度提高使MEA的阴极反应速率增加，进而提高MEA的极化性能[5－6]。

图1 室温下阴极氧化剂种类对钛网基MEA性能的影响

2.2 阳极电解液浓度对钛网基MEA性能的影响

图3至图6所示为以成型压力为5 MPa、成型温度为135℃、保压时间为180 s的钛网基MEA为研究对象，分别以自呼吸空气和0.1 MPa的100 mL/min氧气作为阴极氧化剂，在常压条件下，测试了不同电解液浓度对钛网基MEA高低温性能的影响。所采用的电解液中甲醇浓度依次为0.5、1.0、1.5 mol/L和2.0 mol/L，硫酸的浓度均为0.5 mol/L，其余成分为18.25 MΩ·cm的去离子水。

结果表明，无论是在室温25℃条件下，还是在高温60℃条件下，无论阴极氧化剂为自呼吸空气，还是0.1 MPa的100 mL/min氧气，电解液中的甲醇浓度对钛网基MEA的影响呈现了一致性，即当甲醇浓度从0.5 mol/L变大到1.0 mol/L时，钛网基MEA的功率密度峰值是增大的，当甲醇浓度从1.0 mol/L经过1.5 mol/L增大到2.0 mol/L时，钛网基MEA的功率密度峰值逐渐减小。因此通过四种不同甲醇浓度电解液对钛网基MEA极化性能的影响研究，结果表明，当甲醇浓度为1.0 mol/L，钛网基MEA可以获得最高的功率密度峰值。浓度对于MEA电性能的影响是两种因素综合作用的结果，一方面，甲醇浓度的提高有利于提高甲醇的阳极电化学反应速率，另一方面，高浓度同时加快了甲醇穿过Nafion膜的渗漏，甲醇浓度为1.0 mol/L时，甲醇穿过Nafion膜的扩散起主导作用，因此采用1.0 mol/L甲醇浓度时MEA极化性能要优于采用1.5 mol/L和2.0 mol/L甲醇浓度时的性能，但是甲醇浓度太低，会导致MEA的浓差极化现象严重，降低MEA的极化性能[7-8]。

图3 室温下甲醇浓度对钛网基MEA空气自呼吸性能的影响

图4 室温下甲醇浓度钛网基MEA氧气环境性能的影响

图5 60℃下甲醇浓度对钛网基MEA空气自呼吸性能的影响

图6 60℃下甲醇浓度对钛网基MEA氧气环境性能的影响

2.3 温度条件对钛网基MEA性能的影响

图7 电解液温度对钛网基MEA氧气环境性能的影响

图7所示为以0.1 MPa的100 mL/min氧气作为阴极氧化剂，以1.0 mol/L甲醇+0.5 mol/L硫酸作为阳极电解液，以成型压力为5 MPa、成型温度为135℃、保压时间180 s的钛网基MEA为研究对象，常压条件下，电解液温度条件对钛网基MEA性能影响的曲线。结果表明，工作环境温度从25℃逐渐增大到80℃的过程中，钛网基MEA的功率密度峰值也从5.19 mW/cm2逐渐增大到17.10 mW/cm2，即80℃下的MEA功率密度峰值是25℃下的3.29倍。随着温度的升高，电极的动力学速度增加，提高了阳极和阴极反应速率，进而促进MEA的极化性能升高[8-9]。

3 结论

（1）无论是在室温25℃条件下还是在高温60℃条件下，阴极氧化剂采用0.1 MPa的100 mL/min氧气的功率密度峰值均高于采用自呼吸空气的功率密度峰值；

（2）无论是在室温25℃条件下，还是在高温60℃条件下，无论阴极氧化剂为自呼吸空气，还是0.1 MPa的100 mL/min氧气，电解液中的甲醇浓度对钛网基MEA的影响呈现了一致性，即当甲醇浓度从0.5 mol/L变大到1.0 mol/L时，钛网基MEA的功率密度峰值是增大的，当甲醇浓度从1.0 mol/L经过1.5 mol/L增大到2.0 mol/L时，钛网基MEA的功率密度峰值逐渐减小；

（3）工作环境温度从25℃逐渐增大到80℃的过程中，钛网基MEA的功率密度峰值也从5.19 mW/cm2逐渐增大到17.10 mW/cm2。

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