刘桂成,姜 颖,蒋钜明,王新东

(1.北京科技大学高效钢铁冶金国家重点实验室,北京 100083;2.北京科技大学物理化学系,北京 100083)

运行寿命是制约直接甲醇燃料电池(DMFC)商品化的主要因素之一。DMFC的内部工作环境较氢氧燃料电池复杂得多,运行条件更加苛刻。DMFC的性能衰减速率较高,数百、数千小时连续放电,可造成幅度达7%～50%的性能衰减[1-3],原因一般认为有:①DMFC的阴、阳极供料分别为空气(或氧气)和甲醇溶液,气/液不对称进料,使膜电极组件(MEA)承受较大的内应力,易变形;②为了应对甲醇渗透带来的负面影响,以及DMFC阳极甲醇氧化反应具有较高的过电位,通常DMFC催化剂的贵金属载量较高,因而造成催化剂粒子更易于聚集;③依据双功能机理,一般以PtRu为DM-FC的阳极催化剂,其中金属Ru在电池长期运行过程中的流失明显。

上述因素导致的DMFC稳定性过程运行中MEA的变化,具体表现为以下3种:

①催化剂失活,催化剂平均粒径的增大。Pt粒子以面心立方晶格存在,晶格参数为(220)的Pt晶面不受碳载体及Nafion聚合物衍射峰的干扰,可用来计算平均粒径。陈维民等[1]将DMFC在75℃下以70 mA/cm2的电流密度连续放电200 h,发现阳极催化剂颗粒的平均粒径几乎没有改变,阴极催化剂的平均粒径由5.8 nm增大至6.7 nm,阴阳极催化层的电化学表面积均显著减小,减小程度大于因催化剂颗粒长大带来的表面积损失。Z.B.Wang等[2]在60℃下将DMFC连续运行1 002 h,测得阴、阳极催化剂的平均粒径增大率分别为26.5%和18.5%。J.Guo等[3]在75℃下将DMFC连续运行2 020 h,发现阴、阳极催化剂的平均粒径增大率分别为90.9%和55.6%。……