淺談甲醇燃料電池的作用

鋰電世界  實際電池中的不可逆損失（也叫極化、過電勢或過電壓）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（A區），活化極化起主導作用，活化極化取決于電極表面甲醇氧化反應的電化學活性。隨著電流密度的增加（B區），歐姆極化起主導作用，歐姆極化產生的原因是燃料電池電極、電解質和極板內進行電子、質子傳導時產生的電阻。在高電流密度區（C區），濃差極化起主導作用，濃差極化產生的原因是受傳質影響造成的催化劑表面反應物供給不足。電池穩態性能實驗說明了本文所用系統能滿足測試要求，同時電池穩態性能的極化曲線有助于理解電池工作的基本過程，也是分析動態現象的基礎。直接甲醇燃料電池動態性能的研究動態響應。電流動態變化的波形有矩形波、三角形波、梯形波，對應的實際應用情況有加速、減速、瞬間加載/卸載、持續加載/卸載等。影響DMFC動態性能的因素有：電化學反應的響應、電極和膜之間界面上的充電特性、甲醇經過擴散層和催化劑層的傳遞、甲醇竄流、氧氣在陰極的傳遞、陽極二氧化碳的產生和釋放、二氧化碳和甲醇溶液形成的兩相流、電池的溫度響應等。

    原因可能是瞬間加載到一個低的電流時，會使得陽極反應區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，隨后甲醇又會迅速補充到反應區，使得電壓立刻回升。當加載到一個高的電流時，由于產生高電流需要更多的甲醇參與反應，同時高的電流也會產生更多的二氧化碳汽泡，汽泡從催化層向擴散層傳遞的同時會阻礙甲醇從擴散層向催化層的傳遞，所以高電流時，甲醇向催化層的傳質不足使得電壓不但沒有恢復，而且還隨著時間略有下降。加載到1A時電壓下降到的最低值和恢復后的電壓值的差要比加載到2A時大，也就是說，加載的電流越小，電壓恢復能力也越強。從放電狀態跳到開路時，電池的開路電壓會在瞬時跳到比正常開路高的多的值，然后漸漸回落到正常的開路電壓，原因是正常反應時，傳遞到催化劑層的甲醇部分被反應所消耗，陽陰極甲醇濃度差較小，忽然停止反應時，由于甲醇來不及傳遞到催化劑層，陽陰極的甲醇濃度差要比正常開路狀態時小，因擴散引起的甲醇竄流減少，從而降低電池的過電勢，使得電壓跳到一個高值，然后在膜的陽極側，由于沒有反應，甲醇濃度會很快升高，這樣由擴散引起的甲醇竄流會迅速增加，使得電池的開路電壓漸漸回落。

    電池的負載持續變化，電池沒有時間達到穩定狀態。從圖中能看到，電壓的響應幾乎和電流的變化是同步的。負載的連續變化使得中的一些現象沒有足夠的時間來形成。很明顯這是因為電化學反應過程要比物理過程快的多的原因。說明了直接甲醇燃料電池對負載的變化有非常好的響應特性。另外，從圖中還能看出，在按定斜率持續加載時，在開始階段（小電流區），電壓下降的斜率較大，等電流大到一定數值時，電壓下降的斜率忽然變小。這是因為在小電流的時候，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，活化極化區的電壓變化斜率明顯大于歐姆極化區的。結論該直接甲醇燃料電池對各種電流變化的動態響應都很迅速。動態運行時電池的開路電壓要高于穩態運行時的值，原因是動態運行時因甲醇竄流引起的過電勢減小 。