直接甲醇燃料电池阴极上混合电位的研究.docx

直接甲醇燃料电池阴极上混合电位的研究潘晓萍，郑燕贞，郭永榔*W福州大学化学化工学院，福州，350002直接甲醇燃料电池（DMFC）由于其便捷结构简单、小型体积比能量高、常温工作温度低等优点而成为目前燃料电池的研究热点。然而，DMFC中存隹关键问题之一是甲醇通过NafiO11膜的渗透,导致阴极极化增大加，电池性能降低，燃料利用率低3。甲醇渗透到阴极后导致由工阴极同时发生氧化和还原反应，产生相应的混合电位，这可以因此可以通过讨论混合电位研究甲醇的渗透加以表征。目前测量甲醇浓度的方法有非电化学的方法和电化学的方法，测量混合电位是其中一种b本文通过在硫酸甲醇溶液中采用快速简便的电化学方法一一动电流扫描计时电位法测量的阴极催化剂上的混合电位，来讨论甲醇浓度和混合电位的关系。1 .实验部分所有的电化学测试都是在CHI上进行。采用传统的三电极体系上1将商用Pt/C催化剂与Nafion溶液按比例混合，在异丙醇中用超声波分散在异内病中,然后涂布于用PTFE处理过的炭布上作为工作电极，Pt的负载量为0.4mgcm2对电极为光亮的Pt片电极;HgHg2S040.5MH2S04做为参比电极,参比电极与电解池用液桥连接;用0.5M壮打,作为支持电解质。用动电流扫描计时电位法分别扫描甲醇和氧气的极化曲线。在做测量氧气极化曲线时，采用的是传统的部分浸入法，O2压力为一大气压。为了较好地控制三相界面，将炭布电极做成尺寸为靠1mm（宽）X及5mm（长）的电极以减小反应电流。在测极化曲线之前，为了更好的稳定电极表面状态，先用恒电位使电极极化，以稳定电极表面状态。2 .结果与讨论在二今电极上，同时发生阴极还原反应和阳极氧化反应，当这两个反应相互独立时,可以分别开来讨论它们的极化现象和极化电位，这样就可以通过分别测量阴极和阳极极化曲线来测量皿混合电位。在DMFC中，当甲醇从阳极渗透到阴极时，在阴极催化剂作用下发生氧化反应，这丑与阴极氧气的还原反应形成混合电位。在不同浓度的硫酸甲醇溶液中，用动电流扫描计的电隹法分别测量在阴极催化剂上的甲醇阳极极化曲线和氧气的阴极极化曲线，可得到对应不同浓度甲醇的混合电位。图1是不同温度时，不同甲醇浓度的阴极、阳极极化曲线。氧阴极极化时，在纽0.1V出现拐点，这表明可能氧在此电位开始稳定明显还原,这与CV图的还原起峰位置对应一致。而在甲醇阳极极化曲线上中，荏-0.IV左右有一个拐点，在60。C下，拐点非常明显，这可能表明甲醇在-0.IV之前只是甲醇氧化的中间物CO的吸附，而在此拐点后水在Pt表面解离产生OHads,使电极表面吸附的CO开始与OHadS反应而逐渐脱附。当电流增大到一定程度时，即如图所示的约0.15V时，出现第二个拐点，这是由于在此电位时OHadS开始大量转化成吸附氧，使得电极极化增大，这可能时由于浓差极化加剧，电位急剧上升。这样在-0.IV和0.15V之间形成一个平台，随甲醇浓度的增大，相应的平台延长，与CV中正向扫描时甲醇在-0.1V起峰，而面峰值电位大约在0.15V,而且甲醇浓度越大峰值电流越高相符。甲醇阳极极化曲线和氧的阴极极化曲线的交点为现混合电位，混合电位和甲醇浓度的关系如图2。由图可知，随浓度增大，混合电位相应降低，且在低浓度时变化加快,浓度增大到一定程度后降低减缓。这可能是因为甲醇浓度增大加而导致的氧还原过程阴联系人简介：郭永榔，教授，博导，主要研究方向：电化学，化学电源，E-mai1：yguo极极化增加,从而使阴极电位降低丁口甲醉浓度越大，阴极极化越大。甲醇浓度为O.O1mo1时,30和60的混合电位分别为O.103V和O.094V；甲醇浓度为O.Imo1时,30和60的混合电位分别为O.041V和O.037V,与JUSyS等人采用差分电化学质谱(DEMS)方法的测量值十分接近，但测量方法要更为简单诈多。3 .结论实验结果表明，采用极化曲线的方法可以简单、快速地测出得不同甲醇浓度与混合电位的关系，因此可以通过测量混合电位来估算甲醛浓度进一步确定DMFC中甲醇的渗透程度,这种方法应用于对DMFC的甲醇渗透程度的估算相对于其它方法来说更加简便。1 Z.JusysandR.J.Behm.Simu1taneousoxygenreductionandmethano1oxidationonacarbon-supportedPtcata1ystandmixedpotentia1formation-revisited,EIeCtrOChiInicACta,2004,49(2004):3891-39002 V.A.Paganin,E.Sitta,T.IwasitaandW.Vie1stich,Methano1crossovereffectonthecathodepotentia1ofadirectPEMfue1ce11,Journa1ofAPPIiOdApp1E1ectroche血"x.,2005,35:(2005)1239-1243-InVeStigatiOi1OnMmiXedpotentia1investigationOnthecathodeinodirectmethano1fue1ce11sXiaopingPan,YanzhenZhengand5Yong1angGuo*-(Co11egeofChemistryandChemica1Engineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,350002)-图不同甲醇浓度中氧还原及甲醇氧化的的极化曲线图k。A：30°CVB：60。CFig. 1 Po1arizationedCUrVeSoOXygenreductionaridI1IethanO1OXidatiOngraphsforindifferentmethano1COnCentratiOnSat(.A：30B：60°CA)30(A)and(B)60(B)图230°C(A)和60°C(B)混合电位和甲醇浓度的关系。A：30B：60Fig. 2 MIndePendanCeOfIIIiXedpotentia1ondifferentmethano1concentrationsatA：30B：60°C30°C(A)and60(B)