解决直接醇燃料电池中甲醇渗透对电池性能影响的方法技术

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。通过在线施加脉冲的操作方法消除阳极渗透至阴极的甲醇，从而解决渗透至阴极的甲醇导致的阴极催化剂度化和产生混合电位的问题，使甲醇渗透导致的电池性能的衰减得以恢复。该方法操作简单，能够在电池运行过程中进行操作，易于在系统运行过程中实现。

Methods to solve the influence of methanol permeation on the performance of direct alcohol fuel cell

【技术实现步骤摘要】
解决直接醇燃料电池中甲醇渗透对电池性能影响的方法
本专利技术涉及燃料电池
，具体的说涉及一种直接甲醇燃料电池解决甲醇渗透对电池性能影响的方式。
技术介绍
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。在直接醇燃料电池中质子交换膜一般采用膜，但膜均存在明显的甲醇渗透问题，尤其是随着使用者对膜内阻要求越来越小，薄膜已逐步取代往期使用的厚膜，然而随着膜厚度的减少，甲醇渗透量越来越多，由于甲醇渗透导致的电池性能衰减越来越明显。渗透至阴极的甲醇会占据阴极氧还原反应所需的催化剂，从而使阴极参与氧还原反应的催化剂利用率降低，并且渗透至阴极的甲醇在阴极催化剂表面发生氧化反应，从而导致电池内部发生短路，严重影响电池性能。
技术实现思路
本专利技术是为了解决直接甲醇燃料电池中甲醇渗透对电池性能影响提出的一种操作方式。该方法操作简单，能够在电池运行过程中进行操作，易于在系统运行过程中实现。本专利技术采用以下具体方式来实现：一种解决直接醇燃料电池中甲醇渗透对电池性能影响的方法，所述直接甲醇燃料电池，包括两个端板和置于两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、质子交换膜和阴极催化层。所述直接甲醇燃料电池所用燃料一定浓度的甲醇水溶液；所述直接甲醇燃料电池运行过程中，阴极气体供应采用间歇的供应方式，在阴极气体停止供应时间范围内于所述直接甲醇燃料电池阴极施加一0.2-0.82V(vs.RHE)的电压。所述阴极气体间歇供应并在停气过程中施加脉冲，其时间间隔依据电池性能衰减量而定，其电池性能衰减量可选择为电池初始性能的3％-20％，其中最优为5％-10％。于所述直接甲醇燃料电池阴极施加的电压优选范围为0.2-0.82V；最优范围为0.3-0.6V。电压在上述范围内，因甲醇氧化更易进行且不会对催化剂造成影响的原因，效果更为显著。所述直接甲醇燃料电池为直接甲醇燃料电池单电池，或直接甲醇燃料电池电堆，或直接甲醇燃料电池系统。所述阴极供应气体为空气或者氧气。根据本专利技术操作，可有效解决阳极侧甲醇渗透至阴极而引发电池性能衰减的问题。提高了电池运行寿命，使电池在运行过程中性能更加稳定。除此之外，该操作方法可实现在电池运行过程中进行操作，在直接甲醇燃料电池系统中采用该操作方式无需外部设施，简单方便。附图说明图1为双极板流道分布图；1、端板；2、流道；3、阳极催化层；4、质子交换膜；5、阴极催化层；6、双极板图2为燃料电池电堆装配图；图3为膜电极装配MEA图；图4为实施例一测试结果；图5为实施例二测试结果。具体实施方式下面参照附图等来说明本专利技术的具体实施方式。具体实施方式包括：端板1，用于集流；流道2，反应物在燃料电池内部的流通通道；阳极催化层3，催化燃料的氧化反应；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；双极板6，阴阳极反应物的流体分配。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。在直接醇燃料电池中质子交换膜一般采用膜，但膜均存在明显的甲醇渗透问题，尤其是随着使用者对膜内阻要求越来越小，薄膜已逐步取代往期使用的厚膜，然而随着膜厚度的减少，甲醇渗透量越来越多，由于甲醇渗透导致的电池性能衰减越来越明显。渗透至阴极的甲醇会占据阴极氧还原反应所需的催化剂，从而使阴极参与氧还原反应的催化剂利用率降低，并且渗透至阴极的甲醇在阴极催化剂表面发生氧化反应，从而导致电池内部发生短路，严重影响电池性能。并且甲醇在由阳极向阴极的渗透过程中会携带大量的水至阴极，甲醇在阴极发生氧化反应也会产生大量的水，从而加重阴极的水淹,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。具体实施方式：实施例一：该实施方式采用0.5M色谱纯甲醇为燃料进行测试。电池采用单节电池，阳极通入0.5M甲醇水溶液，阴极通入空气；采用在电池100mAcm-2下进行恒流放电操作，本专利技术所述操作方法(电压下降10％进行阴极断气操作，断气过程中在阴极施加一0.25V电压，持续时间为30s)与传统持续放电方法30小时后进行电池性能衰减对比，电池电压分别下降0.0173V和0.0463V。该数据充分说明本专利技术所述直接甲醇燃料电池运行操作方式能够有效缓解甲醇渗透对电池性能导致的衰减，提升了电池恒流放电运行过程中的稳定性，提高电池运行寿命。实施例二：该实施方式采用1M色谱纯甲醇为燃料进行测试。电池采用单节电池，阳极通入1M甲醇水溶液，阴极通入空气；采用本专利技术所述操作方法(电压下降20％进行阴极断气操作，断气过程中在阴极施加一0.8V电压，持续时间为3s)与传统持续放电方法在电池100mAcm-2下进行恒流放电操作30小时后进行电池性能衰减对比，电池电压分别下降0.0186V和0.0627V。该数据充分说明本专利技术所述直接甲醇燃料电池运行操作方式能够有效缓解甲醇渗透对电池性能导致的衰减，提升了电池恒流放电运行过程中的稳定性，提高电池运行寿命。实施例三：该实施方式采用2M色谱纯甲醇为燃料进行测试。电池采用单节电池，阳极通入1M甲醇水溶液，阴极通入空气；采用本专利技术所述操作方法(电压下降10％进行阴极断气操作，断气过程中在阴极施加一0.5V电压，持续时间为15s)与传统持续放电方法在电池100mAcm-2下进行恒流放电操作30小时后进行电池性能衰减对比，电池电压分别下降0.0193V和0.0896V。该数据充分说明本专利技术所述直接甲醇燃料电池运行操作方式能够有效缓解甲醇渗透对电池性能导致的衰减，提升了电池恒流放电运行过程中的稳定性，提高电池运行寿命。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.解决直接醇燃料电池中甲醇渗透对电池性能影响的方法，所述直接甲醇燃料电池，包括两个端板和置于两个端板间的1个或2个以上的单体电池，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、质子交换膜和阴极催化层；于阳极侧通入甲醇燃料，于阴极侧通入作为氧化剂的空气和/或氧气，电池运行；其特征在于：/n于所述直接甲醇燃料电池运行过程中，停止向阴极侧通入氧化剂，于阴极和阳极之间施加一0.2-0.82V(vs.RHE)的电压，使阴极侧电位高于阳极侧电位2秒以上，优选15-30秒；/n或，于所述直接甲醇燃料电池运行过程中，设置一与质子交换膜电连通的参比电极，于阴极和参比电极之间施加一0.2-0.82V(vs.RHE)的电压(最优范围为0.3-0.6V)，使阴极侧电位高于参比电极电位2秒以上，优选15-30秒。/n

【技术特征摘要】
1.解决直接醇燃料电池中甲醇渗透对电池性能影响的方法，所述直接甲醇燃料电池，包括两个端板和置于两个端板间的1个或2个以上的单体电池，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、质子交换膜和阴极催化层；于阳极侧通入甲醇燃料，于阴极侧通入作为氧化剂的空气和/或氧气，电池运行；其特征在于：
于所述直接甲醇燃料电池运行过程中，停止向阴极侧通入氧化剂，于阴极和阳极之间施加一0.2-0.82V(vs.RHE)的电压，使阴极侧电位高于阳极侧电位2秒以上，优选15-30秒；
或，于所述直接甲醇燃料电池运行过程中，设置一与质子交换膜电连通的参比电极，于阴极和参比电极之间施加一0.2-0.82V(vs.RHE)的电压(最优范围为0.3-0.6V)，使阴极侧电位高于参比电极电位2秒以上，优选15-30秒。


2.按照权利要求1所述的的方法，其特征在于：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙公权，孙雪敬，孙海，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21