CN109921069A - 一种直接液体燃料电池阴极水含量的测定方法 - Google Patents

一种直接液体燃料电池阴极水含量的测定方法 Download PDF

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Abstract

一种直接甲醇燃料电池电堆，包括二个端板和置于二个端板间的单体电池，所述单体电池包括双极板和膜电极，所述膜电极包括阳极催化层、疏水层、质子交换膜和阴极催化层。通过不同结构和实验设计对阴极水进行分离，区分出阴极侧水的主要来源，从而进行电极结构改进以降低阴极水含量，从而减轻阴极侧催化层和气体扩散层的水淹现象，提高阴极侧氧气的传输，降低由氧传输导致的传质极化损失，提高电池性能和在长时间运行过程中的稳定性。

Description

一种直接液体燃料电池阴极水含量的测定方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说涉及一种直接甲醇燃料电池降低水渗透的方式。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池通常由阳极、阴极及质子交换膜组成。在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极。
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池中的一种，其以甲醇水溶液作为阳极燃料在阳极催化剂表面发生甲醇氧化反应生成质子和二氧化碳。反应产生的质子以水合的形式通过质子交换膜到达阴极参与阴极反应，质子与空气中的氧气在催化剂表面发生还原反应生成水。电池运行过程中阴极的水需及时排出以免其滞留在催化层与气体扩散层内阻挡氧气传输影响电池性能。对于直接甲醇燃料电池而言，其阴极水不仅仅来源于阴极反应与质子传输。由于阳极侧反应物为甲醇水溶液，具有较高的水渗透压，在渗透压的驱使下，会有大量的水由阳极渗透至阴极，并且阳极侧的甲醇会透过质子交换膜由阳极渗透至阴极，甲醇在渗透过程中会携带部分水一同渗透至阴极，导致阴极大量水的聚集。该聚集的水往往不能及时被排出电池而导致阴极发生水淹，严重影响阴极氧气的传输，导致阴极传质极化损失较大，影响电池性能。然而在电池测试过程中阴极水量主要由那部分水组成是未知的，需要通过结构和实验设计进行分离，区分出导致阴极水淹的主要原因进而通过膜电极结构改进使阴极的水含量减少，提高电池性能。
发明内容
本发明是为了解决直接甲醇燃料电池中存在的阴极水淹问题提出的一种通过电极结构和实验设计进行阴极水来源分离的一种方法。通过该方法进行电极结构设计的指导，进而降低阴极水积聚减少水淹，提高电池性能。
为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：一种直接液体燃料电池阴极水来源的测定方法，所述直接液体燃料电池包括依次层叠的阳极极板、阳极、电解质膜、阴极和阴极极板；通过改变阳极反应燃料、阳极催化能力和阳/阴极反应燃料及气体的进料情况来计算并分离阴极水来源，所述阴极水来源包括阳极燃料中的水在渗水压存在的情况下通过电解质膜渗透至阴极的水Lc、阴极反应产生的水Lr、燃料从阳极通过电解质膜渗透至阴极时随燃料携带至阴极的水Lp，随H+从阳极通过电解质膜迁移至阴极时拖曳至阴极的水LH；
包括以下步骤，
(1)单电池电化学反应的有效面积为S，阳极通入阳极反应燃料水溶液，摩尔浓度为C0，流速为V0；阴极通入阴极反应气体，流速为Vg0；保持电池在电流密度0<J<100mA/cm2条件下放电，收集时间T内的阴极水量L0；
(2)单电池阳极通入替代溶液A，流速V0；阴极通入阴极反应气体，流速为Vg0；收集时间T内的阴极水量L1；
(3)保持阴极形状和尺寸不变，采用与原阴极相同的制备过程和条件、仅仅更换阴极催化剂为耐燃料反应的惰性材料B、制备获得替代阴极，组装成替代单电池后，于替代单电池阳极通入阳极反应燃料，摩尔浓度为C0，流速为V0；阴极通入阴极反应气体，流速为Vg0；收集时间T内的阴极水量L2；
(4)单电池阳极通入阳极反应燃料，浓度为C0，流速为V1；阴极进料情况为阴极反应气体，流速为Vg1；收集时间T内的阴极水量L3；
Lc＝L1
LH＝L0-Lc-Lr-Lp，F为法拉弟常数，Mfuel为燃料的相对分子质量，MH2O为水的相对分子质量，X为1个燃料分子氧化反应可生成水的个数。
所述阳极反应燃料为甲醇、乙醇、乙醚、乙二醇、丙醇、乙酸中的一种。
所述替代溶液A为与阳极反应燃料摩尔浓度相同的硫酸、盐酸、硝酸等可完全电离酸中的一种。
所述惰性材料B为碳粉、碳球、碳管中的一种。
所述阴极反应气体为干燥的氧气或空气中的一种或二种。
所述阳极中催化剂为PtRu催化剂、Pt催化剂、PtCo催化剂、含Pt和其他元素复合的贵金属催化剂和各种非贵金属催化剂等具有催化甲醇氧化作用的催化剂；
所述电解质膜为质子交换膜，所述质子交换膜为磺化聚芳醚酮、酸掺杂的聚苯并咪唑、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亚胺中的一种；
所述阴极中催化剂为PtRu催化剂、Pt催化剂、PtCo催化剂、含Pt和其他元素复合的贵金属催化剂和各种非贵金属催化剂等具有氧还原作用的催化剂。
附图说明
图1为膜电极示意图；
1、端板；2、阳极催化层；3、质子交换膜；4、阴极催化层；
图2为单电池示意图。
具体实施方式
下面参照附图等来说明本发明的具体实施方式。
具体实施方式包括：
端板1，用于流体分配与集流；阳极催化层2，催化燃料的氧化反应；疏水层3，减少阳极侧的水向阴极侧的渗透；质子交换膜4，传输质子，隔绝阴阳极反应物；阴极催化层5，催化氧气的还原反应。
工作原理：
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池中的一种，其以甲醇水溶液作为阳极燃料在阳极催化剂表面发生甲醇氧化反应生成质子和二氧化碳。反应产生的质子以水合的形式通过质子交换膜到达阴极参与阴极反应，质子与空气中的氧气在催化剂表面发生还原反应生成水。电池运行过程中阴极的水需及时排出以免其滞留在催化层与气体扩散层内阻挡氧气传输影响电池性能。对于直接甲醇燃料电池而言，其阴极水不仅仅来源于阴极反应与质子传输。由于阳极侧反应物为甲醇水溶液，具有较高的水渗透压，在渗透压的驱使下，会有大量的水由阳极渗透至阴极，并且阳极侧的甲醇会透过质子交换膜由阳极渗透至阴极，甲醇在渗透过程中会携带部分水一同渗透至阴极，导致阴极大量水的聚集。该聚集的水往往不能及时被排出电池而导致阴极发生水淹，严重影响阴极氧气的传输，导致阴极传质极化损失较大，影响电池性能。然而在电池测试过程中阴极水量主要由那部分水组成是未知的，需要通过结构和实验设计进行分离，区分出导致阴极水淹的主要原因进而通过膜电极结构改进使阴极的水含量减少，提高电池性能。
具体实施方式：
实施方式：阳极水溶液通过水渗透压的不同渗透至阴极侧水量的收集。
将制备的膜电极进行单电池组装，组装后的单电池经活化后进行水收集测试。采用与电池测试相同浓度的0.5M硫酸溶液代替阳极0.5M甲醇水溶液，其流速与甲醇水溶液流速保持一致，均为0.5ml/min,阴极所用气体与电池测试时所用气体和流速均保持一致，为60ml/min。过程中阴极采用一冷阱进行水量收集，收集时间为2小时，进行水量测试后记录过程收集水量。
阴极水溶液通过水渗透压的不同渗透至阴极侧的水量和甲醇渗透携带的水量的收集。
将制备的膜电极阴极催化剂改为不具有甲醇氧化性质的碳粉，制备成与原膜电极结构相同的电极，然后进行单电池组装，组装后的单电池经活化后进行水收集测试。采用与电池测试相同浓度0.5M甲醇水溶液，其流速与电池测试时甲醇水溶液流速保持一致，为0.5ml/min,阴极所用气体与电池测试时所用气体和流速均保持一致,为60ml/min。过程中阴极采用一冷阱进行水量收集，收集时间为2小时，进行水量测试后记录过程收集水量。
阴极水溶液通过水渗透压的不同渗透至阴极侧的水量和甲醇渗透携带的水量以及渗透后的甲醇氧化产生的水的收集。
将制备的膜电极进行单电池组装，组装后的单电池经活化后进行水收集测试。采用与电池测试相同浓度的0.5M甲醇水溶液，其流速与电池测试时甲醇水溶液流速保持一致，为0.5ml/min，阴极所用气体与电池测试时所用气体和流速均保持一致，为60ml/min。过程中阴极采用一冷阱进行水量收集，收集时间为2小时，进行水量测试后记录过程收集水量。
阴极水溶液通过水渗透压的不同渗透至阴极侧的水量、甲醇渗透携带的水量、渗透后的甲醇氧化产生的水和电池放电发生阴极还原产生的水的收集。
将制备的膜电极进行单电池组装，组装后的单电池经活化后进行水收集测试。采用0.5M甲醇水溶液并以0.5ml/min的流速进行进料，阴极所用气体为空气或氧气并保持60ml/min流速并保持电池在恒定电流密度100mA/cm2条件下进行放电。过程中阴极采用一冷阱进行水量收集，收集时间为2小时，进行水量测试后记录过程收集水量。
对以上过程收集的水进行处理，分离出各部分产生的水量。通过数据对比分析确定导致阴极水淹的主要因素进而指导膜电极结构设计，减少阴极水含量降低催化层和气体扩散层内水含量使电池性能得到提升。
通过实施例中的测试结果可知Lc为0.38g，Lr为0.015g，Lp为0.028g，LH为0.024g。通过数据对比可以发现，以上电极结构导致阴极水淹的主要原因为阳极燃料中的水在渗水压存在的情况下通过电解质膜渗透至阴极导致的，因此在电极结构改进时需进一步降低水渗透。

Claims (5)

1.一种直接液体燃料电池阴极水来源的测定方法，所述直接液体燃料电池包括依次层叠的阳极极板、阳极、电解质膜、阴极和阴极极板；其特征在于：通过改变阳极反应燃料、阳极催化能力和阳/阴极反应燃料及气体的进料情况来计算并分离阴极水来源，所述阴极水来源包括阳极燃料中的水在渗水压存在的情况下通过电解质膜渗透至阴极的水Lc、阴极反应产生的水Lr、燃料从阳极通过电解质膜渗透至阴极时随燃料携带至阴极的水Lp，随H+从阳极通过电解质膜迁移至阴极时拖曳至阴极的水LH；
包括以下步骤，
(1)单电池电化学反应的有效面积为S，阳极通入阳极反应燃料水溶液，摩尔浓度为C0，流速为V0；阴极通入阴极反应气体，流速为Vg0；保持电池在电流密度0<J<100mA/cm2条件下放电，收集时间T内的阴极水量L0；
(2)单电池阳极通入替代溶液A，流速V0；阴极通入阴极反应气体，流速为Vg0；收集时间T内的阴极水量L1；
(3)保持阴极形状和尺寸不变，采用与原阴极相同的制备过程和条件、仅仅更换阴极催化剂为耐燃料反应的惰性材料B、制备获得替代阴极，组装成替代单电池后，于替代单电池阳极通入阳极反应燃料，摩尔浓度为C0，流速为V0；阴极通入阴极反应气体，流速为Vg0；收集时间T内的阴极水量L2；
(4)单电池阳极通入阳极反应燃料，浓度为C0，流速为V1；阴极进料情况为阴极反应气体，流速为Vg1；收集时间T内的阴极水量L3；
Lc＝L1 (1)
LH＝L0-Lc-Lr-Lp， (4)
F为法拉弟常数，Mfuel为燃料的相对分子质量，MH2O为水的相对分子质量，X为1个燃料分子氧化反应可生成水的个数。
2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于：
所述阳极反应燃料为甲醇、乙醇、乙醚、乙二醇、丙醇、乙酸中的一种。
3.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于：所述替代溶液A为与阳极反应燃料摩尔浓度相同的硫酸、盐酸、硝酸等可完全电离酸中的一种。
4.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于：所述惰性材料B为碳粉、碳球、碳管中的一种。
5.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于：所述阴极反应气体为干燥的氧气或空气中的一种或二种。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1409879A (zh) * 1999-12-17 2003-04-09 Utc燃料电池有限公司 具有交指型液流通路和水输送板的燃料电池
CN1446385A (zh) * 2000-08-16 2003-10-01 西门子公司 调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置
EP2306571A1 (en) * 2008-09-11 2011-04-06 Panasonic Corporation Fuel cell system and control method therefor
CN103098279A (zh) * 2010-08-20 2013-05-08 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法
CN103250291A (zh) * 2011-12-12 2013-08-14 丰田自动车株式会社 燃料电池内部的液态水量的推断方法、从燃料电池中被排出的液态水量的推断方法、燃料电池内部液态水量推断装置以及燃料电池系统
CN104515720A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接甲醇燃料电池阳极传质系数的测定方法
CN205313150U (zh) * 2015-12-18 2016-06-15 西安工程大学 一种与电渗析相结合的双阴极mfc水处理系统
CN105848760A (zh) * 2013-11-01 2016-08-10 伍德斯托恩公司 用于调节水的装置和方法以及并入该装置和方法的系统和工艺
DE102015003029A1 (de) * 2015-03-10 2016-09-15 Daimler Ag Verfahren zum Erkennen von Flüssigwasser
CN106960970A (zh) * 2017-02-23 2017-07-18 天津大学 质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1409879A (zh) * 1999-12-17 2003-04-09 Utc燃料电池有限公司 具有交指型液流通路和水输送板的燃料电池
CN1446385A (zh) * 2000-08-16 2003-10-01 西门子公司 调节燃料电池阳极电解液中燃料浓度的方法和装置
EP2306571A1 (en) * 2008-09-11 2011-04-06 Panasonic Corporation Fuel cell system and control method therefor
CN103098279A (zh) * 2010-08-20 2013-05-08 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法
CN103250291A (zh) * 2011-12-12 2013-08-14 丰田自动车株式会社 燃料电池内部的液态水量的推断方法、从燃料电池中被排出的液态水量的推断方法、燃料电池内部液态水量推断装置以及燃料电池系统
CN104515720A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种直接甲醇燃料电池阳极传质系数的测定方法
CN105848760A (zh) * 2013-11-01 2016-08-10 伍德斯托恩公司 用于调节水的装置和方法以及并入该装置和方法的系统和工艺
DE102015003029A1 (de) * 2015-03-10 2016-09-15 Daimler Ag Verfahren zum Erkennen von Flüssigwasser
CN205313150U (zh) * 2015-12-18 2016-06-15 西安工程大学 一种与电渗析相结合的双阴极mfc水处理系统
CN106960970A (zh) * 2017-02-23 2017-07-18 天津大学 质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法

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