淺談甲醇燃料電池的作用

鋰電世界  實(shí)際電池中的不可逆損失（也叫極化、過(guò)電勢(shì)或過(guò)電壓）主要有3部分：活化極化、歐姆極化、濃差極化。在低電流密度區(qū)（A區(qū)），活化極化起主導(dǎo)作用，活化極化取決于電極表面甲醇氧化反應(yīng)的電化學(xué)活性。隨著電流密度的增加（B區(qū)），歐姆極化起主導(dǎo)作用，歐姆極化產(chǎn)生的原因是燃料電池電極、電解質(zhì)和極板內(nèi)進(jìn)行電子、質(zhì)子傳導(dǎo)時(shí)產(chǎn)生的電阻。在高電流密度區(qū)（C區(qū)），濃差極化起主導(dǎo)作用，濃差極化產(chǎn)生的原因是受傳質(zhì)影響造成的催化劑表面反應(yīng)物供給不足。電池穩(wěn)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了本文所用系統(tǒng)能滿足測(cè)試要求，同時(shí)電池穩(wěn)態(tài)性能的極化曲線有助于理解電池工作的基本過(guò)程，也是分析動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。直接甲醇燃料電池動(dòng)態(tài)性能的研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)。電流動(dòng)態(tài)變化的波形有矩形波、三角形波、梯形波，對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用情況有加速、減速、瞬間加載/卸載、持續(xù)加載/卸載等。影響DMFC動(dòng)態(tài)性能的因素有：電化學(xué)反應(yīng)的響應(yīng)、電極和膜之間界面上的充電特性、甲醇經(jīng)過(guò)擴(kuò)散層和催化劑層的傳遞、甲醇竄流、氧氣在陰極的傳遞、陽(yáng)極二氧化碳的產(chǎn)生和釋放、二氧化碳和甲醇溶液形成的兩相流、電池的溫度響應(yīng)等。

    原因可能是瞬間加載到一個(gè)低的電流時(shí)，會(huì)使得陽(yáng)極反應(yīng)區(qū)的甲醇濃度瞬間降低，造成甲醇供給不足，電池性能瞬間急劇下降，隨后甲醇又會(huì)迅速補(bǔ)充到反應(yīng)區(qū)，使得電壓立刻回升。當(dāng)加載到一個(gè)高的電流時(shí)，由于產(chǎn)生高電流需要更多的甲醇參與反應(yīng)，同時(shí)高的電流也會(huì)產(chǎn)生更多的二氧化碳汽泡，汽泡從催化層向擴(kuò)散層傳遞的同時(shí)會(huì)阻礙甲醇從擴(kuò)散層向催化層的傳遞，所以高電流時(shí)，甲醇向催化層的傳質(zhì)不足使得電壓不但沒(méi)有恢復(fù)，而且還隨著時(shí)間略有下降。加載到1A時(shí)電壓下降到的最低值和恢復(fù)后的電壓值的差要比加載到2A時(shí)大，也就是說(shuō)，加載的電流越小，電壓恢復(fù)能力也越強(qiáng)。從放電狀態(tài)跳到開(kāi)路時(shí)，電池的開(kāi)路電壓會(huì)在瞬時(shí)跳到比正常開(kāi)路高的多的值，然后漸漸回落到正常的開(kāi)路電壓，原因是正常反應(yīng)時(shí)，傳遞到催化劑層的甲醇部分被反應(yīng)所消耗，陽(yáng)陰極甲醇濃度差較小，忽然停止反應(yīng)時(shí)，由于甲醇來(lái)不及傳遞到催化劑層，陽(yáng)陰極的甲醇濃度差要比正常開(kāi)路狀態(tài)時(shí)小，因擴(kuò)散引起的甲醇竄流減少，從而降低電池的過(guò)電勢(shì)，使得電壓跳到一個(gè)高值，然后在膜的陽(yáng)極側(cè)，由于沒(méi)有反應(yīng)，甲醇濃度會(huì)很快升高，這樣由擴(kuò)散引起的甲醇竄流會(huì)迅速增加，使得電池的開(kāi)路電壓漸漸回落。

    電池的負(fù)載持續(xù)變化，電池沒(méi)有時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖中能看到，電壓的響應(yīng)幾乎和電流的變化是同步的。負(fù)載的連續(xù)變化使得中的一些現(xiàn)象沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)形成。很明顯這是因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程要比物理過(guò)程快的多的原因。說(shuō)明了直接甲醇燃料電池對(duì)負(fù)載的變化有非常好的響應(yīng)特性。另外，從圖中還能看出，在按定斜率持續(xù)加載時(shí)，在開(kāi)始階段（小電流區(qū)），電壓下降的斜率較大，等電流大到一定數(shù)值時(shí)，電壓下降的斜率忽然變小。這是因?yàn)樵谛‰娏鞯臅r(shí)候，影響電池性能的主要因素是活化極化，電流增大后，影響電池性能的主要因素是歐姆極化。從可以看到，活化極化區(qū)的電壓變化斜率明顯大于歐姆極化區(qū)的。結(jié)論該直接甲醇燃料電池對(duì)各種電流變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都很迅速。動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)電池的開(kāi)路電壓要高于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的值，原因是動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)因甲醇竄流引起的過(guò)電勢(shì)減小 。