王一拓,刘桂成,王 萌,王新东

(北京科技大学物理化学系,北京 100083)

微型直接甲醇燃料电池(μ DMFC)具有体积小巧、携带方便和结构简单等优点,在小型设备,如掌上电脑、手机和笔记本电脑上得到了初步的应用;但要完成产业化,目前需解决两个问题:在维持一定催化剂载量的前提下,提高电池性能并降低电池成本;改进便携式结构,以达到长时间稳定运行的要求。为此,需要从膜电极组件(MEA)制备工艺和电堆设计的角度进行研究。μ DMFC的阳极一般采用静置原料,利用浓差扩散的形式进行原料补给,而阴极采用暴露空气自呼吸结构。这种结构要求在催化层、扩散层、集电板和堆体结构上有一定的优化,才能满足物料供给的条件,并实现电池长时间运行的稳定。

1 μ DMFC用MEA的传质原理和改性研究

1.1 MEA结构传质机制

μ DMFC阴极多采用自呼吸结构,在室温下工作,物料传质会受到集电板、扩散层和催化层的制约,因此在计算极限电流密度Jd时,要添加一个校正相f:

式(1)中:n为电荷转移数,F为法拉第常数,D为扩散系数,δ为扩散层厚度,C0为溶液浓度。阴极铂基催化反应的n=4、D=2×10-2cm2/s,f≈1.11[1]。MEA制备一般采用Nafion乳液作为亲水性粘接剂,催化层约 5～10 μ m 厚。氧气在水中的溶解度仅1.4×10-6mol/ml,若扩散层被水堵塞,Jd会由300 mA/cm2降至6.0 mA/cm2,制约电池的性能。阳极生成的CO2对燃料传输的影响也不能忽视。

扩散层分微孔层和支撑层两部分:支撑层主要由碳纤维纸或碳纤维布经憎水性处理获得,也可用不锈钢或炭黑纸制造;微孔层由导电炭黑和憎水或亲水性粘结剂骨架组成。……