Forschung an Luftkathode für vertikale Methanol-betriebene Lithiumbatterien -Lithium-Ionen-Batterieausrüstung
Die vertikale Methanol-Lithiumbatterie (DMFC) ist ein Stromerzeugungsgerät, das die in der Kraftstoffmethanollösung gespeicherte chemische Energie und das Oxidationsmittel (Sauerstoff oder Luft) vertikal in elektrische Energie umwandelt. Seine wesentlichen Vorteile sind: reichhaltige Quellen für Methanolkraftstoff und niedrige Kosten. Die Energiedichte ist hoch. Wenn die Batterie in Betrieb ist, wird der Kraftstoff direkt zugeführt, ohne sich zu reformieren. Die Struktur ist einfach, die Reaktionszeit ist kurz, die Bedienung ist bequem und es ist leicht zu tragen und zu verstauen. Es ist eine ideale Stromquelle für tragbare elektronische Geräte, Mobiltelefone, Kameras und Elektrofahrzeuge. gilt als die Batterie, die am ehesten kommerziell genutzt wird, und hat daher große Aufmerksamkeit erhalten.
Nach dem Funktionsprinzip von DMFC wird Wasser an der Luftkathode erzeugt, und seine Reaktionsformel lautet:
Wenn das auf der Kathodenseite der Luft erzeugte Wasser und die Anodenmethanollösung, die durch die Nafionmembran zur Kathode diffundiert, nicht ausreichen, um die Feuchtigkeit auszugleichen, die durch die große Luftmenge in der Kathode entsteht, wird der Kathodenwasserhaushalt zerstört, wodurch die Protonenaustauschmembran auf der Luftelektrodenseite verliert. Der Innenwiderstand der Batterie steigt deutlich an, die Batterieleistung nimmt rapide ab und schließlich wird es schwierig, die Batterie normal zu betreiben. Zu diesem Zweck konzentrierten wir uns auf die Untersuchung der elektrochemischen Effekte von linearen Methanol-Lithiumbatterien, die mit Kraftstoff betrieben werden, unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen, wobei Methanolflüssigkeit als Anodenkraftstoff und Luft als Oxidationsmittel verwendet wurden. Verschiedene Betriebsprozessparameter, wie z. B. Luftbefeuchtung, Luftstrom und Luftbefeuchtungstemperatur, Auswirkungen auf die Leistung. (Lithium-Ionen-Batterie-Ausrüstung)
1. Experimenteller Teil
1.1 Reagenzien, Materialien und Instrumente
Bei den Anoden- und Kathodenkatalysatoren handelt es sich um pt-Ru/C (Massenanteil 90 %) bzw. pt/C (Massenanteil 40 %), die von Johnson Matthey Co. im Vereinigten Königreich, die Nafion117-Membran von der DuPont Company in den Vereinigten Staaten und Nafion mit einem Massenanteil von 10 % verarbeitet werden. Lösung, Kohlepapier, verarbeitet von Japan Toray Company, pTFE-Lösung mit einem Massenanteil von 60%, Ruß (VulcanXC-72), Isopropylalkohol (chemisches Reagenz), gesättigte Kalomelelektrode, bT01-100 Peristaltikpumpe, LZb flüssiger Rotor-Durchflussmesser, XMTb Digitalanzeige-Temperaturkontrollbox, REX-C700 digitale Regelheizung, ACO-318 Luftpumpe und elektrochemischer umfassender Detektor VMp2 (Princeton Company, USA).
1.2 Herstellung von Strömungsfeldplatten
Sowohl Kathoden- als auch Anoden-Durchflussfeldplatten bestehen aus Graphitplatten und ihre Durchflussfeldgröße beträgt 20 mm×25 mm. Verwenden Sie eine Strömungsfeldgravurausrüstung, um ein einkanaliges Serpentinen-Strömungsfeld und eine Dichtungsnut auf der Graphitplatte herzustellen. Die Rillentiefe, die Rillenbreite und die Stegbreite des einkanaligen Serpentinenströmungsfeldes betragen jeweils 1 mm. Das Dichtungsmaterial ist Silikonharz oder Glaskleber.
1.3 Herstellung der Membranelektrode (MEA)
1) Vorlösung der Nafion117-Membran: Kochen Sie sie 0,5 Stunden lang in einer Wasserstoffperoxidlösung mit einem Volumenanteil von 3 %, nehmen Sie sie heraus, spülen Sie sie dreimal mit deionisiertem Wasser ab, geben Sie sie in eine 2 mol/l Schwefelsäurelösung und kochen Sie sie 1 Stunde lang, um sie zu protonieren. Anschließend mehrmals mit deionisiertem Wasser abspülen und zur späteren Verwendung in deionisiertem Wasser belassen.
2) Vorbereitung der Diffusionsschicht: Eine bestimmte Menge pTFE-Emulsion, Ruß, Nafion-Lösung und wässrige Isopropylalkohollösung mischen und 30 Minuten lang mit Ultraschallwellen auflösen, dann auf zwei Stücke Kohlepapier mit einer Fläche von 20 mm×25 mm tropfen, trocknen und beiseite stellen. .
3) Herstellung der katalytischen Schicht: Man nehme eine bestimmte Menge pt-Ru/C und pt/C, füge einen bestimmten Anteil der wässrigen Nafion-Lösung und der wässrigen Isopropylalkohollösung hinzu, löse sie 200 Mal mit Ultraschallwellen und beschichte sie dann auf die zuvor gelöste Diffusionsschicht. Und 12 Stunden lang in einem Vakuumtrockenschrank getrocknet.
4) Heißpressen von MEA: Legen Sie die beiden obigen Stücke Kohlepapier, die die Diffusionsschicht und die katalytische Schicht enthalten, auf beide Seiten der aufgelösten Nafion117-Membran und pressen Sie sie 3 Minuten lang bei 135 °C und 1 MPa heiß, um eine Methanolelektrode zu erhalten. MEA besteht aus Luftelektrode und Elektrolytmembran.
1.4 Einzelzellenassemblierung und Leistungserkennung
Geben Sie die obige MEA in zwei selbstgebaute Graphit-Fließfeldplatten mit einer effektiven Fläche von 5 cm2, fügen Sie Stromsammelplatten, Isolierbleche und Endplatten auf beiden Seiten hinzu, klemmen und abdichten und fügen Sie sie zu einer einzigen Zelle zusammen. Die Batterie wird mit einem Hot Rod erhitzt und die Temperatur mit einem Thermoelement gemessen. Seine Leistung wurde auf dem elektrochemisch integrierten Detektionssystem VMp2 (princetonAppliedReseach) gemessen. Die Reaktanten sind Methanol und Luft, und die Reaktionsbedingungen sind normale Temperatur und normaler Druck.
2. Ergebnisse und Diskussion
2.1 Leistung einer einzelnen Batterie
Experimentelle Bedingungen für die Aktivierung: Die Membranelektrode wird in das Batteriedetektionsgerät gelegt, die Anode wird durch die Methanollösung geleitet und dann wird die Peristaltikpumpe gestoppt, damit die statische Methanollösung langsam diffundieren kann. Die Kathode verwendet Luft, um auf natürliche Weise zu diffundieren, und arbeitet dann 9 Stunden lang bei 35 °C mit einer geringen Stromdichteentladung. Die experimentellen Bedingungen für die Leistungserfassung sind: niedrige Temperatur, Normaldruck, Methanolkonzentration 1,5 mol/l, Batterietemperatur 35 °C, Methanolflussrate 2,5 ml/min, und die Kathode wird mit natürlicher Luft gespeist.
Die Kathodenluft wird von einer kleinen Luftpumpe transportiert, durchläuft den Luftmengenmesser und gelangt in den ersten Luftbefeuchter. Nachdem die Luft befeuchtet wurde, gelangt sie in den zweiten Luftbefeuchter und schließlich in die Batteriekathode. Die Temperaturen der beiden Luftbefeuchter werden durch ein Wasserbad mit konstanter Temperatur geregelt. Der erste Luftbefeuchter wird hauptsächlich zur Luftbefeuchtung und Temperaturregelung eingesetzt. Der zweite Luftbefeuchter wird hauptsächlich verwendet, um zu verhindern, dass die befeuchtete Luft Wasser in die Batteriekathode bringt, was zu einer Überflutung der Kathode führt, die Batterieleistung beeinträchtigt und als Puffer und Temperaturregelung dient. gebrauchen. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, erreichen die Ausgangsstromdichte und die Spitzenleistungsdichte einer einzelnen Zelle 142,6 mA/cm2 bzw. 39,5 mW/cm2, wenn die Ausgangsspannung 0,277 V beträgt.
2.2 Einfluss der Luftbefeuchtung auf die Batterieleistung
Die Kathodenluftbefeuchtung hat einen erheblichen Einfluss auf die stationäre Strom-Spannungs-Polarisationskurve der Batterie. Die Batterieleistung nach der Befeuchtung der Kathodenluft ist offensichtlich besser als ohne Befeuchtung. Der Hauptgrund dafür ist, dass der Wasserhaushalt der Luftkathode aus dem Gleichgewicht geraten ist, was zu Schwierigkeiten bei der Protonenübertragung in der Membran und einer verminderten Batterieleistung führt. Wenn das auf der Kathodenseite der Luft erzeugte Wasser und die Anodenmethanollösung, die durch die Nafionmembran zur Kathode diffundiert, nicht ausreichen, um die Feuchtigkeit auszugleichen, die durch die große Luftmenge in der Kathode entsteht, wird der Kathodenwasserhaushalt zerstört, wodurch die Protonenaustauschmembran auf der Luftelektrodenseite verliert. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Protonenübertragung in der Membran und strukturellen Veränderungen in der Membranelektrode (z. B. führt eine Schrumpfung der Membran aufgrund von Wasserverlust dazu, dass sich der Kontakt zwischen der katalytischen Schicht und der Membran löst usw.), was zu einer Abnahme der Batterieleistung führt.
2.3 Einfluss der Luftbefeuchtungstemperatur auf die Batterieleistung
Da DMFC im Vergleich zu pEMFC eine Methanollösung verwendet, kann sie den Wasserhaushalt der Na-fion117-Membran besser aufrechterhalten und die Leitfähigkeit der Membran verbessern. Es gibt nicht viele Literaturberichte über den Einfluss der Kathodenluftbefeuchtungstemperatur auf die Batterieleistung. Experimente haben ergeben, dass die Luftbefeuchtungstemperatur einen größeren Einfluss auf die Batterieleistung hat.
Mit steigender Luftbefeuchtungstemperatur verbessert sich die Batterieleistung erheblich. Unter den gleichen Bedingungen mit anderen Prozessparametern, wenn die Luftbefeuchtungstemperatur 30 °C beträgt, beträgt die Leerlaufspannung der Batterie 0,581 V und die Spitzenleistung der Batterie 10,319 mW/cm2; Wenn die Luftbefeuchtungstemperatur auf 60 ° C erhöht wird, beträgt die Leerlaufspannung der Batterie 0,721 V, die Spitzenleistung der Batterie kann 12,869 mW/cm2 erreichen. Die Erhöhung der Befeuchtungstemperatur erhöht einerseits die Temperatur der Batterie und beschleunigt die Geschwindigkeit der elektrochemischen Kathodenreaktion; Auf der anderen Seite führt es auch dazu, dass die Luft mehr Feuchtigkeit erhält und so den Feuchtigkeitsverlust, der durch die Luft aus der Batterie gebracht wird, bis zu einem gewissen Grad ausgleicht. Dadurch wird der Wasserhaushalt der Membranelektrode sichergestellt und verhindert, dass die Nafion117-Membran austrocknet und der Membranwiderstand durch zu hohen Wasserverlust stark ansteigt. Gleichzeitig zeigte das Experiment auch, dass die Luftbefeuchtungstemperatur zu hoch ist, was dazu führt, dass die Luftfeuchtigkeit zu hoch ist und zu viel Wasser hereinkommt, und wenn die Batterie mit einer größeren Stromdichte entladen wird, wird eine große Menge an Wasser aus dem Kathodenreaktionsprodukt hinzugefügt, so dass die Luft keine Zeit hat, es zu entfernen. Das Spülen und Ableiten von Feuchtigkeit aus der Kathode kann leicht zu einer "Elektrodenflutung" im Kathodenströmungsfeld führen, was zu einem Rückgang der Batterieleistung führt. Daher wird die Luftbefeuchtungstemperatur in der Regel zwischen 40 und 60 °C geregelt.
2.4 Einfluss des Luftstroms auf die Batterieleistung
Wenn der Luftstrom zu gering ist, wird die Sauerstoffkonzentration des Kathodenreaktanten reduziert und die Batterieleistung verringert. Wenn der Luftstrom zu hoch ist, wird die Sauerstoffmenge im Kathodenreaktanten zwar erhöht, aber wenn der Sauerstoff ausreicht, um die Kathodenreaktion zu befriedigen, ist die bloße Zugabe von Sauerstoff für die Batterie nicht von Vorteil. Die Verbesserung der Leistung führt im Gegenteil dazu, dass der Kathode eine große Menge Wasser entzogen wird, wodurch der Wasserhaushalt der Kathode aus dem Gleichgewicht gerät, der Innenwiderstand der Membranelektrode steigt und die Batterieleistung abnimmt.
3. Fazit
Unter Verwendung von pt-Ru/C und pt/C als Anoden- und Kathodenkatalysatoren wurden selbst hergestellte Membranelektroden montiert und ein DMFC-Einzelzell- und Detektionssystem zusammengebaut. Mit Hilfe der stationären Strom-Spannungs-Polarisationskurvenmethode wurden die Auswirkungen von Luftbefeuchtung, Luftbefeuchtungstemperatur und Luftströmung auf die elektrochemische Leistung von DMFC untersucht. Die Forschungsergebnisse besagen, dass die Leistung von Batterien mit Luftbefeuchtung deutlich besser ist als die von Batterien ohne Luftbefeuchtung. Die optimalen Betriebsprozessparameter der Luftbefeuchtungstemperatur und des Luftstroms betragen 40 ~ 60 °C bzw. 670 ml/min. Unter 35 °C und normalen Druckbedingungen, wenn die DMFC-Ausgangsspannung 0,277 V beträgt, können die Ausgangsstromdichte und die Spitzenleistungsdichte 142,6 mA/cm2 bzw. 39,5 mW/cm2 erreichen.
Nach dem Funktionsprinzip von DMFC wird Wasser an der Luftkathode erzeugt, und seine Reaktionsformel lautet:
Wenn das auf der Kathodenseite der Luft erzeugte Wasser und die Anodenmethanollösung, die durch die Nafionmembran zur Kathode diffundiert, nicht ausreichen, um die Feuchtigkeit auszugleichen, die durch die große Luftmenge in der Kathode entsteht, wird der Kathodenwasserhaushalt zerstört, wodurch die Protonenaustauschmembran auf der Luftelektrodenseite verliert. Der Innenwiderstand der Batterie steigt deutlich an, die Batterieleistung nimmt rapide ab und schließlich wird es schwierig, die Batterie normal zu betreiben. Zu diesem Zweck konzentrierten wir uns auf die Untersuchung der elektrochemischen Effekte von linearen Methanol-Lithiumbatterien, die mit Kraftstoff betrieben werden, unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen, wobei Methanolflüssigkeit als Anodenkraftstoff und Luft als Oxidationsmittel verwendet wurden. Verschiedene Betriebsprozessparameter, wie z. B. Luftbefeuchtung, Luftstrom und Luftbefeuchtungstemperatur, Auswirkungen auf die Leistung. (Lithium-Ionen-Batterie-Ausrüstung)
1. Experimenteller Teil
1.1 Reagenzien, Materialien und Instrumente
Bei den Anoden- und Kathodenkatalysatoren handelt es sich um pt-Ru/C (Massenanteil 90 %) bzw. pt/C (Massenanteil 40 %), die von Johnson Matthey Co. im Vereinigten Königreich, die Nafion117-Membran von der DuPont Company in den Vereinigten Staaten und Nafion mit einem Massenanteil von 10 % verarbeitet werden. Lösung, Kohlepapier, verarbeitet von Japan Toray Company, pTFE-Lösung mit einem Massenanteil von 60%, Ruß (VulcanXC-72), Isopropylalkohol (chemisches Reagenz), gesättigte Kalomelelektrode, bT01-100 Peristaltikpumpe, LZb flüssiger Rotor-Durchflussmesser, XMTb Digitalanzeige-Temperaturkontrollbox, REX-C700 digitale Regelheizung, ACO-318 Luftpumpe und elektrochemischer umfassender Detektor VMp2 (Princeton Company, USA).
1.2 Herstellung von Strömungsfeldplatten
Sowohl Kathoden- als auch Anoden-Durchflussfeldplatten bestehen aus Graphitplatten und ihre Durchflussfeldgröße beträgt 20 mm×25 mm. Verwenden Sie eine Strömungsfeldgravurausrüstung, um ein einkanaliges Serpentinen-Strömungsfeld und eine Dichtungsnut auf der Graphitplatte herzustellen. Die Rillentiefe, die Rillenbreite und die Stegbreite des einkanaligen Serpentinenströmungsfeldes betragen jeweils 1 mm. Das Dichtungsmaterial ist Silikonharz oder Glaskleber.
1.3 Herstellung der Membranelektrode (MEA)
1) Vorlösung der Nafion117-Membran: Kochen Sie sie 0,5 Stunden lang in einer Wasserstoffperoxidlösung mit einem Volumenanteil von 3 %, nehmen Sie sie heraus, spülen Sie sie dreimal mit deionisiertem Wasser ab, geben Sie sie in eine 2 mol/l Schwefelsäurelösung und kochen Sie sie 1 Stunde lang, um sie zu protonieren. Anschließend mehrmals mit deionisiertem Wasser abspülen und zur späteren Verwendung in deionisiertem Wasser belassen.
2) Vorbereitung der Diffusionsschicht: Eine bestimmte Menge pTFE-Emulsion, Ruß, Nafion-Lösung und wässrige Isopropylalkohollösung mischen und 30 Minuten lang mit Ultraschallwellen auflösen, dann auf zwei Stücke Kohlepapier mit einer Fläche von 20 mm×25 mm tropfen, trocknen und beiseite stellen. .
3) Herstellung der katalytischen Schicht: Man nehme eine bestimmte Menge pt-Ru/C und pt/C, füge einen bestimmten Anteil der wässrigen Nafion-Lösung und der wässrigen Isopropylalkohollösung hinzu, löse sie 200 Mal mit Ultraschallwellen und beschichte sie dann auf die zuvor gelöste Diffusionsschicht. Und 12 Stunden lang in einem Vakuumtrockenschrank getrocknet.
4) Heißpressen von MEA: Legen Sie die beiden obigen Stücke Kohlepapier, die die Diffusionsschicht und die katalytische Schicht enthalten, auf beide Seiten der aufgelösten Nafion117-Membran und pressen Sie sie 3 Minuten lang bei 135 °C und 1 MPa heiß, um eine Methanolelektrode zu erhalten. MEA besteht aus Luftelektrode und Elektrolytmembran.
1.4 Einzelzellenassemblierung und Leistungserkennung
Geben Sie die obige MEA in zwei selbstgebaute Graphit-Fließfeldplatten mit einer effektiven Fläche von 5 cm2, fügen Sie Stromsammelplatten, Isolierbleche und Endplatten auf beiden Seiten hinzu, klemmen und abdichten und fügen Sie sie zu einer einzigen Zelle zusammen. Die Batterie wird mit einem Hot Rod erhitzt und die Temperatur mit einem Thermoelement gemessen. Seine Leistung wurde auf dem elektrochemisch integrierten Detektionssystem VMp2 (princetonAppliedReseach) gemessen. Die Reaktanten sind Methanol und Luft, und die Reaktionsbedingungen sind normale Temperatur und normaler Druck.
2. Ergebnisse und Diskussion
2.1 Leistung einer einzelnen Batterie
Experimentelle Bedingungen für die Aktivierung: Die Membranelektrode wird in das Batteriedetektionsgerät gelegt, die Anode wird durch die Methanollösung geleitet und dann wird die Peristaltikpumpe gestoppt, damit die statische Methanollösung langsam diffundieren kann. Die Kathode verwendet Luft, um auf natürliche Weise zu diffundieren, und arbeitet dann 9 Stunden lang bei 35 °C mit einer geringen Stromdichteentladung. Die experimentellen Bedingungen für die Leistungserfassung sind: niedrige Temperatur, Normaldruck, Methanolkonzentration 1,5 mol/l, Batterietemperatur 35 °C, Methanolflussrate 2,5 ml/min, und die Kathode wird mit natürlicher Luft gespeist.
Die Kathodenluft wird von einer kleinen Luftpumpe transportiert, durchläuft den Luftmengenmesser und gelangt in den ersten Luftbefeuchter. Nachdem die Luft befeuchtet wurde, gelangt sie in den zweiten Luftbefeuchter und schließlich in die Batteriekathode. Die Temperaturen der beiden Luftbefeuchter werden durch ein Wasserbad mit konstanter Temperatur geregelt. Der erste Luftbefeuchter wird hauptsächlich zur Luftbefeuchtung und Temperaturregelung eingesetzt. Der zweite Luftbefeuchter wird hauptsächlich verwendet, um zu verhindern, dass die befeuchtete Luft Wasser in die Batteriekathode bringt, was zu einer Überflutung der Kathode führt, die Batterieleistung beeinträchtigt und als Puffer und Temperaturregelung dient. gebrauchen. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, erreichen die Ausgangsstromdichte und die Spitzenleistungsdichte einer einzelnen Zelle 142,6 mA/cm2 bzw. 39,5 mW/cm2, wenn die Ausgangsspannung 0,277 V beträgt.
2.2 Einfluss der Luftbefeuchtung auf die Batterieleistung
Die Kathodenluftbefeuchtung hat einen erheblichen Einfluss auf die stationäre Strom-Spannungs-Polarisationskurve der Batterie. Die Batterieleistung nach der Befeuchtung der Kathodenluft ist offensichtlich besser als ohne Befeuchtung. Der Hauptgrund dafür ist, dass der Wasserhaushalt der Luftkathode aus dem Gleichgewicht geraten ist, was zu Schwierigkeiten bei der Protonenübertragung in der Membran und einer verminderten Batterieleistung führt. Wenn das auf der Kathodenseite der Luft erzeugte Wasser und die Anodenmethanollösung, die durch die Nafionmembran zur Kathode diffundiert, nicht ausreichen, um die Feuchtigkeit auszugleichen, die durch die große Luftmenge in der Kathode entsteht, wird der Kathodenwasserhaushalt zerstört, wodurch die Protonenaustauschmembran auf der Luftelektrodenseite verliert. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Protonenübertragung in der Membran und strukturellen Veränderungen in der Membranelektrode (z. B. führt eine Schrumpfung der Membran aufgrund von Wasserverlust dazu, dass sich der Kontakt zwischen der katalytischen Schicht und der Membran löst usw.), was zu einer Abnahme der Batterieleistung führt.
2.3 Einfluss der Luftbefeuchtungstemperatur auf die Batterieleistung
Da DMFC im Vergleich zu pEMFC eine Methanollösung verwendet, kann sie den Wasserhaushalt der Na-fion117-Membran besser aufrechterhalten und die Leitfähigkeit der Membran verbessern. Es gibt nicht viele Literaturberichte über den Einfluss der Kathodenluftbefeuchtungstemperatur auf die Batterieleistung. Experimente haben ergeben, dass die Luftbefeuchtungstemperatur einen größeren Einfluss auf die Batterieleistung hat.
Mit steigender Luftbefeuchtungstemperatur verbessert sich die Batterieleistung erheblich. Unter den gleichen Bedingungen mit anderen Prozessparametern, wenn die Luftbefeuchtungstemperatur 30 °C beträgt, beträgt die Leerlaufspannung der Batterie 0,581 V und die Spitzenleistung der Batterie 10,319 mW/cm2; Wenn die Luftbefeuchtungstemperatur auf 60 ° C erhöht wird, beträgt die Leerlaufspannung der Batterie 0,721 V, die Spitzenleistung der Batterie kann 12,869 mW/cm2 erreichen. Die Erhöhung der Befeuchtungstemperatur erhöht einerseits die Temperatur der Batterie und beschleunigt die Geschwindigkeit der elektrochemischen Kathodenreaktion; Auf der anderen Seite führt es auch dazu, dass die Luft mehr Feuchtigkeit erhält und so den Feuchtigkeitsverlust, der durch die Luft aus der Batterie gebracht wird, bis zu einem gewissen Grad ausgleicht. Dadurch wird der Wasserhaushalt der Membranelektrode sichergestellt und verhindert, dass die Nafion117-Membran austrocknet und der Membranwiderstand durch zu hohen Wasserverlust stark ansteigt. Gleichzeitig zeigte das Experiment auch, dass die Luftbefeuchtungstemperatur zu hoch ist, was dazu führt, dass die Luftfeuchtigkeit zu hoch ist und zu viel Wasser hereinkommt, und wenn die Batterie mit einer größeren Stromdichte entladen wird, wird eine große Menge an Wasser aus dem Kathodenreaktionsprodukt hinzugefügt, so dass die Luft keine Zeit hat, es zu entfernen. Das Spülen und Ableiten von Feuchtigkeit aus der Kathode kann leicht zu einer "Elektrodenflutung" im Kathodenströmungsfeld führen, was zu einem Rückgang der Batterieleistung führt. Daher wird die Luftbefeuchtungstemperatur in der Regel zwischen 40 und 60 °C geregelt.
2.4 Einfluss des Luftstroms auf die Batterieleistung
Wenn der Luftstrom zu gering ist, wird die Sauerstoffkonzentration des Kathodenreaktanten reduziert und die Batterieleistung verringert. Wenn der Luftstrom zu hoch ist, wird die Sauerstoffmenge im Kathodenreaktanten zwar erhöht, aber wenn der Sauerstoff ausreicht, um die Kathodenreaktion zu befriedigen, ist die bloße Zugabe von Sauerstoff für die Batterie nicht von Vorteil. Die Verbesserung der Leistung führt im Gegenteil dazu, dass der Kathode eine große Menge Wasser entzogen wird, wodurch der Wasserhaushalt der Kathode aus dem Gleichgewicht gerät, der Innenwiderstand der Membranelektrode steigt und die Batterieleistung abnimmt.
3. Fazit
Unter Verwendung von pt-Ru/C und pt/C als Anoden- und Kathodenkatalysatoren wurden selbst hergestellte Membranelektroden montiert und ein DMFC-Einzelzell- und Detektionssystem zusammengebaut. Mit Hilfe der stationären Strom-Spannungs-Polarisationskurvenmethode wurden die Auswirkungen von Luftbefeuchtung, Luftbefeuchtungstemperatur und Luftströmung auf die elektrochemische Leistung von DMFC untersucht. Die Forschungsergebnisse besagen, dass die Leistung von Batterien mit Luftbefeuchtung deutlich besser ist als die von Batterien ohne Luftbefeuchtung. Die optimalen Betriebsprozessparameter der Luftbefeuchtungstemperatur und des Luftstroms betragen 40 ~ 60 °C bzw. 670 ml/min. Unter 35 °C und normalen Druckbedingungen, wenn die DMFC-Ausgangsspannung 0,277 V beträgt, können die Ausgangsstromdichte und die Spitzenleistungsdichte 142,6 mA/cm2 bzw. 39,5 mW/cm2 erreichen.
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