直接甲醇燃料电池中甲醇穿透对电池性能的影响

康明艳

(天津渤海职业技术学院，天津300402)

摘要：根据已经建立的液体进料直接甲醇燃料电池一维模型讨论甲醇穿透对电池性能的影响。结果表明：电流密度较低时，甲醇穿透对电池性能的影响较大；随着电流密度增大，甲醇穿透对电池性能的影响越来越小。

关键词：直接甲醇燃料电池；数学模型；甲醇穿透；过电位

中图分类号：7rM911．4文献标志码：A文章编号：1008—1267(2008)04—0023_03

前 期研究中对直接甲醇燃料电池建立了沿着垂直于质子交换膜方向的一维模型，模型的控制方程耦合了各组分的质量守恒方程、动量守恒方程和电传导方程。阳极甲醇 氧化动力学采用多步骤复杂反应机理啪．模型中还考虑了甲醇穿透对阴极氧气反应的影响从而修正了并行反应理论。在前期发表的文章中，详细介绍了各物质在电池 内的浓度分布．本文主要介绍阴极、阳极过电位分布，得到了在不同电流密度下甲醇穿透对电池性能的影响。

1.过电位分布

由图1可以看到，在电池的工作密度较小时，阴极过电位高于阳极过电位，在开路状态时阴极就有很高的过电位。这是因为当电池工作的电流密度较小时。用于阳极反应的甲醇通量很小，大量的甲醇穿透到阴极催化层发生氧化反应。形成很高的甲醇穿透过电位。

当电池的工作电流密度较大(>475以·cm-2)时．阳极过电位大于阴极过电位。原因是电池工作的电流密度较大时，甲醇穿透通量较小(图1)，甲醇穿透过电位较小。而阳极甲醇氧化动力学引起的过电位较大。

当电池的工作电流密度达到797mA·cm-2时．阳极过电位迅速升高，此时电池主要受阳极浓差极化控制。

2 甲醇穿透对电池性能的影响

图2反映了甲醇进料浓度为2500moL/m3，氧气压力为1．0 MPa(表压)，电池工作温度为80℃时．甲醇穿透对电池性能的影响。

图2中的理想电池是指没有甲醇穿透的直接甲醇燃料电池(即直接甲醇质子交换膜能完全阻止甲醇通过)。

从图2中 我们可以看到，当电池工作电流密度较小时实际电池的性能与理想电池的性能相差较大。随着电池工作电流密度增大，实际电池性能和理想电池的性能相差越来越 小。即甲醇穿透对电池性能的影响越来越小。这是因为当电池的工作电流密度较小时．用于反应的甲醇量很小，穿透到电池阴极的甲醇较多。另外，电池的工作电流 密度较小时。穿透到阴极的甲醇发生氧化反应形成的内部电流是引起阴极过电位的主要因素．甲醇穿透对电池性能的影响较大。随着电流密度增大，用于反应的甲醇 量增大．而且放电电流密度较高时．电极性能受欧姆极化控制，穿透到阴极催化层的甲醇氧化形成的内部电流已不占阴极总电流的绝大部分，因而甲醇穿透对电池性 能的影响较小。

图3为本模型和阴极催化层采用并行反应假设建立的DMFC一 维模型对应的电池性能的比较结果。从图中我们可以看到，当电池的工作电流密度较小时，两个模型得到的电池性能的差别较大。原因是此时穿透到阴极的甲醇的量 较大．阴极催化层内的甲醇浓度较高，阴极催化层用于氧气还原反应的有效活性表面积减小，阴极甲醇存在对氧气还原反应的影响较大，从而两个模型模拟得到的电 池性能的差别较大。

随着电池的工作电流密度增大，两个模型模拟得到的电池性能的差别逐渐减小。这是因为电池的工作电流密度较大时，渗透到阴极的甲醇通量较小．而且高电流时电池控制步骤在阳极，所以两个模型模拟得到的电池性能差别较小。

图4为 甲醇渗透通量占甲醇总通量的百分比与电流密度的关系。在低电流密度下．进入阳极扩散层的大部分甲醇由于渗透到阴极而浪费掉。随着电流密度增加。甲醇穿透通 量占甲醇总通量的比例越来越小。甲醇穿透通量占甲醇总通量的比例随着甲醇反应的量和甲醇穿透通量的变化而变化。随着电池工作电流密度增大，用于反应的甲醇 总通量增加．而甲醇穿透通量减小。到电池工作的极限电流密度时所有的甲醇都用于反应。几乎没有甲醇穿透到电池阴极催化层，此时甲醇反应通量等于甲醇总通 量。

图5显 示了甲醇穿透通量与电流密度的关系。甲醇穿透通量随电流密度增加而下降。当电流密度接近极限电流密度时。甲醇的穿透通量几乎不随电流密度增加而变化。这是 因为，电流密度对甲醇穿透通量的影响体现在两个方面。一方面随着电流密度增大，阳极催化层内更多的水将由于电拖曳效应而透过质子交换膜。而另一方面随着电 流密度增大，甲醇在阳极催化层的反应消耗量增大，穿透过膜的水所携带的甲醇浓度减小。

3.结论

3．1 在低电流密度下。进入阳极扩散层的大部分甲醇由于渗透到阴极而浪费掉。甲醇穿透对电池性能的影响较大。

3．2 随着电池工作电流密度增大。用于反应的甲醇总通量增加，而甲醇穿透通量减小，到电池工作的极限电流密度时所有的甲醇都用于反应，几乎没有甲醇穿透到电池阴极催化层。甲醇穿透对电池性能的影响较小。