縦型メタノール燃料リチウム電池の空気陰極に関する研究-リチウム-イオン電池装置
縦型メタノール燃料リチウム電池(DMFC)は、燃料メタノール溶液と酸化剤(酸素または空気)に蓄えられた化学エネルギーを垂直方向に電気エネルギーに変換する発電装置です。その重要な利点は、メタノール燃料の豊富な供給源と低コストです。エネルギー密度が高い。バッテリーが作動しているとき、燃料は改質せずにまっすぐに供給されます。構造がシンプルで、反応時間が短く、操作が便利で、持ち運びや保管が簡単です。ポータブル電子機器、携帯電話、カメラ、電気自動車に最適な電源です。は、商業的に使用される可能性が最も高いバッテリーであると考えられており、大きな注目を集めています。
DMFCの動作原理によると、空気陰極で水が生成され、その反応式は次のとおりです。
空気の陰極側で生成された水と、ナフィオン膜を介して陰極に拡散する陽極メタノール溶液が、陰極内の大量の空気によって持ち出される水分を補うのに十分でない場合、陰極の水収支が破壊され、空気極側のプロトン交換膜が失われます水が乾燥すると、 バッテリーの内部抵抗が大幅に増加し、バッテリーの性能が急速に低下し、最終的にバッテリーが正常に動作しにくくなります。この目的のために、メタノール液体をアノード燃料として、空気を酸化剤として使用して、常温常圧条件下でのリニアメタノール燃料駆動リチウム電池の電気化学的効果の研究に焦点を当てました。空気加湿、空気流量、空気加湿温度、パフォーマンスへの影響など、さまざまな動作プロセスパラメータ。(リチウムイオン電池装置)
1.実験部分
1.1 試薬、材料および機器
アノード触媒とカソード触媒は、それぞれ英国のジョンソンマッセイ社によって処理されたpt-Ru / C(質量分率90%)とpt / C(質量分率40%)、米国のデュポン社によって処理されたナフィオン117膜、および質量分率10%のナフィオンです。溶液、東レ日本加工カーボンペーパー、質量分率60%のpTFE溶液、カーボンブラック(バルカンXC-72)、イソプロピルアルコール(化学試薬)、飽和カロメル電極、bT01-100蠕動ポンプ、LZb液体ローター流量計、XMTbデジタルディスプレイ温度制御ボックス、REX-C700デジタル制御ヒーター、ACO-318エアポンプ、VMp2電気化学総合検出器(プリンストン社、米国)。
1-2 フローフィールドプレートの製作
カソードとアノードの両方のフローフィールドプレートはグラファイトプレートでできており、それらのフローフィールドサイズは20mm×25mmです。流れ場彫刻装置を使用して、グラファイトプレートに単一チャネルの曲がりくねった流れ場とシーリング溝を作成します。シングルチャンネルの蛇紋岩の流れ場の溝の深さ、溝の幅、尾根の幅はすべて1mmです。シール材はシリコーン樹脂またはガラス接着剤です。
1.3 膜電極(MEA)の作製
1)Nafion117膜の予備溶液:体積分率3%の過酸化水素溶液で0.5時間煮沸し、取り出し、脱イオン水で3回すすぎ、2mol / L硫酸溶液に入れ、1時間煮沸してプロトン化します。その後、脱イオン水で数回すすぎ、後で使用するために脱イオン水に入れたままにします。
2)拡散層の作製:一定量のpTFEエマルジョン、カーボンブラック、ナフィオン溶液、イソプロピルアルコール水溶液を混合し、超音波で30分間溶解した後、面積20mm×25mmのカーボンペーパー2枚にドロップコートし、乾燥させて脇に置きます。.
3)触媒層の準備:一定量のpt-Ru / Cとpt / Cを取り、それぞれ一定割合のナフィオン溶液とイソプロピルアルコール水溶液を加え、超音波で200回溶解し、事前に溶解した拡散層にコーティングします。真空乾燥炉で12時間乾燥させた。
4)MEAのホットプレス成形:分解されたNafion117膜の両面に拡散層と触媒層を含む上記の2枚のカーボンペーパーを置き、135°C、1Mpaで3分間ホットプレスしてメタノール電極を得ます。空気極と電解質膜で構成されるMEA。
1.4 シングルセルアセンブリとパフォーマンス検出
上記のMEAを有効面積5cm2の2つの自作グラファイトフローフィールドプレートに入れ、集電プレート、絶縁シート、エンドプレートを両側に追加し、クランプしてシールし、単一のセルに組み立てます。バッテリーはホットロッドで加熱され、温度は熱電対で測定されます。その性能は、電気化学統合検出システムVMp2(プリンストンアプライドリサーチ)で測定されました。反応物はメタノールと空気であり、反応条件は常温常圧である。
2. 結果と考察
2.1 単一バッテリーの性能
活性化実験条件:膜電極を電池検出装置に入れ、アノードをメタノール溶液に通した後、蠕動ポンプを停止して静的メタノール溶液をゆっくりと拡散させます。カソードは空気を使用して自然に拡散し、35°Cで動作し、電流密度の小さい放電で9時間動作します。性能検出の実験条件は、低温、常圧、メタノール濃度1.5mol/L、電池温度35°C、メタノール流量2.5mL/min、カソードに自然空気を供給する。
陰極の空気は小型の空気ポンプによって輸送され、空気流量計を通過し、最初の加湿器に入ります。空気が加湿された後、それは次に2番目の加湿器に入り、そして最後に電池カソードに入る。2つの加湿器の温度は、恒温水浴によって制御されます。最初の加湿器は、主に空気加湿と温度制御に使用されます。2番目の加湿器は、主に加湿された空気がバッテリーカソードに水を持ち込み、カソードの洪水を引き起こし、バッテリーの性能に影響を与え、バッファーと温度制御として機能するのを防ぐために使用されます。使う。図1からわかるように、単セルの出力電圧が0.277Vの場合、その出力電流密度とピーク電力密度はそれぞれ142.6mA/cm2と39.5mW/cm2に達します。
2.2 空気加湿がバッテリー性能に及ぼす影響
カソード空気加湿は、バッテリーの定常状態の電流-電圧分極曲線に大きな影響を与えます。カソード空気を加湿した後のバッテリー性能は、加湿しない場合よりも明らかに優れています。主な理由は、空気陰極の水収支が不均衡であり、膜内でのプロトン透過が困難になり、バッテリー性能が低下することです。空気の陰極側で生成された水と、ナフィオン膜を介して陰極に拡散する陽極メタノール溶液が、陰極内の大量の空気によって持ち出される水分を補うのに十分でない場合、陰極の水収支が破壊され、空気極側のプロトン交換膜が失われます水が乾燥し、 膜内のプロトン透過や膜電極の構造変化(例えば、水分の損失による膜の収縮により触媒層と膜との接触が緩むなど)を引き起こし、電池性能の低下につながります。
2-3 空気加湿温度が電池性能に及ぼす影響
DMFCはpEMFCと比較してメタノール溶液を使用するため、Na-fion117膜の水収支をよりよく維持し、膜の導電率を向上させることができます。カソード空気加湿温度がバッテリーの性能に与える影響に関する文献報告は多くありません。実験では、空気加湿温度がバッテリーの性能に大きな影響を与えることがわかっています。
空気加湿温度が上昇すると、バッテリーの性能が大幅に向上します。他のプロセスパラメータと同じ条件下で、空気加湿温度が30°Cの場合、バッテリー開回路電圧は0.581V、バッテリーピーク電力は10.319mW / cm2です。空気加湿温度が60°Cに上昇すると、バッテリー開回路電圧は0.721Vになり、バッテリーのピーク電力は12.869mW / cm2に達する可能性があります。加湿温度の上昇は、一方では電池の温度を上昇させ、カソード電気化学反応の速度を加速する。一方、それはまた、空気がより多くの水分を得る原因となり、それによって空気によってバッテリーから持ち出される水分の損失をある程度補う。これにより、膜電極の水収支が確保され、Nafion117膜が乾燥して、過度の水分損失により膜抵抗が急激に上昇するのを防ぎます。同時に、実験では、空気の加湿温度が高すぎるため、空気の湿度が高くなりすぎ、水が過剰に持ち込まれ、バッテリーがより大きな電流密度で放電されると、大量のカソード反応生成水が追加され、空気がそれを取り除く時間がないことも示されました。カソードからの水分のパージと排出は、カソードフローフィールドで「電極フラッディング」を容易に引き起こし、バッテリー性能の低下につながる可能性があります。したがって、空気加湿温度は一般的に40〜60°Cの間で制御されます。
2.4 バッテリー性能に対する空気の流れの影響
空気の流れが低すぎると、カソード反応物の酸素濃度が低下し、バッテリーの性能が低下します。空気の流れが高すぎると、カソード反応物中の酸素量は増加しますが、酸素がカソード反応を満たすのに十分である場合、酸素を追加するだけではバッテリーに有益ではありません。逆に、性能の向上により、カソードから大量の水が奪われ、カソードの水収支が不均衡になり、膜電極の内部抵抗が上昇し、電池の性能が低下します。
3.まとめ
アノードおよびカソード触媒としてpt-Ru/Cおよびpt/Cを使用して、自作の膜電極を組み立て、DMFCシングルセルと検出システムを組み立てました。定常電流-電圧分極曲線法を用いて,空気加湿,空気加湿温度および空気流がDMFCの電気化学的性能に及ぼす影響を調べた。研究結果によると、空気加湿を使用したバッテリーの性能は、空気加湿なしのバッテリーの性能よりも大幅に優れています。空気加湿温度と空気流量の最適な動作プロセスパラメータは、それぞれ40~60°Cと670mL/分です。35°Cおよび常圧条件下で、DMFC出力電圧が0.277Vの場合、その出力電流密度とピーク電力密度はそれぞれ142.6mA / cm2と39.5mW / cm2に達する可能性があります。
DMFCの動作原理によると、空気陰極で水が生成され、その反応式は次のとおりです。
空気の陰極側で生成された水と、ナフィオン膜を介して陰極に拡散する陽極メタノール溶液が、陰極内の大量の空気によって持ち出される水分を補うのに十分でない場合、陰極の水収支が破壊され、空気極側のプロトン交換膜が失われます水が乾燥すると、 バッテリーの内部抵抗が大幅に増加し、バッテリーの性能が急速に低下し、最終的にバッテリーが正常に動作しにくくなります。この目的のために、メタノール液体をアノード燃料として、空気を酸化剤として使用して、常温常圧条件下でのリニアメタノール燃料駆動リチウム電池の電気化学的効果の研究に焦点を当てました。空気加湿、空気流量、空気加湿温度、パフォーマンスへの影響など、さまざまな動作プロセスパラメータ。(リチウムイオン電池装置)
1.実験部分
1.1 試薬、材料および機器
アノード触媒とカソード触媒は、それぞれ英国のジョンソンマッセイ社によって処理されたpt-Ru / C(質量分率90%)とpt / C(質量分率40%)、米国のデュポン社によって処理されたナフィオン117膜、および質量分率10%のナフィオンです。溶液、東レ日本加工カーボンペーパー、質量分率60%のpTFE溶液、カーボンブラック(バルカンXC-72)、イソプロピルアルコール(化学試薬)、飽和カロメル電極、bT01-100蠕動ポンプ、LZb液体ローター流量計、XMTbデジタルディスプレイ温度制御ボックス、REX-C700デジタル制御ヒーター、ACO-318エアポンプ、VMp2電気化学総合検出器(プリンストン社、米国)。
1-2 フローフィールドプレートの製作
カソードとアノードの両方のフローフィールドプレートはグラファイトプレートでできており、それらのフローフィールドサイズは20mm×25mmです。流れ場彫刻装置を使用して、グラファイトプレートに単一チャネルの曲がりくねった流れ場とシーリング溝を作成します。シングルチャンネルの蛇紋岩の流れ場の溝の深さ、溝の幅、尾根の幅はすべて1mmです。シール材はシリコーン樹脂またはガラス接着剤です。
1.3 膜電極(MEA)の作製
1)Nafion117膜の予備溶液:体積分率3%の過酸化水素溶液で0.5時間煮沸し、取り出し、脱イオン水で3回すすぎ、2mol / L硫酸溶液に入れ、1時間煮沸してプロトン化します。その後、脱イオン水で数回すすぎ、後で使用するために脱イオン水に入れたままにします。
2)拡散層の作製:一定量のpTFEエマルジョン、カーボンブラック、ナフィオン溶液、イソプロピルアルコール水溶液を混合し、超音波で30分間溶解した後、面積20mm×25mmのカーボンペーパー2枚にドロップコートし、乾燥させて脇に置きます。.
3)触媒層の準備:一定量のpt-Ru / Cとpt / Cを取り、それぞれ一定割合のナフィオン溶液とイソプロピルアルコール水溶液を加え、超音波で200回溶解し、事前に溶解した拡散層にコーティングします。真空乾燥炉で12時間乾燥させた。
4)MEAのホットプレス成形:分解されたNafion117膜の両面に拡散層と触媒層を含む上記の2枚のカーボンペーパーを置き、135°C、1Mpaで3分間ホットプレスしてメタノール電極を得ます。空気極と電解質膜で構成されるMEA。
1.4 シングルセルアセンブリとパフォーマンス検出
上記のMEAを有効面積5cm2の2つの自作グラファイトフローフィールドプレートに入れ、集電プレート、絶縁シート、エンドプレートを両側に追加し、クランプしてシールし、単一のセルに組み立てます。バッテリーはホットロッドで加熱され、温度は熱電対で測定されます。その性能は、電気化学統合検出システムVMp2(プリンストンアプライドリサーチ)で測定されました。反応物はメタノールと空気であり、反応条件は常温常圧である。
2. 結果と考察
2.1 単一バッテリーの性能
活性化実験条件:膜電極を電池検出装置に入れ、アノードをメタノール溶液に通した後、蠕動ポンプを停止して静的メタノール溶液をゆっくりと拡散させます。カソードは空気を使用して自然に拡散し、35°Cで動作し、電流密度の小さい放電で9時間動作します。性能検出の実験条件は、低温、常圧、メタノール濃度1.5mol/L、電池温度35°C、メタノール流量2.5mL/min、カソードに自然空気を供給する。
陰極の空気は小型の空気ポンプによって輸送され、空気流量計を通過し、最初の加湿器に入ります。空気が加湿された後、それは次に2番目の加湿器に入り、そして最後に電池カソードに入る。2つの加湿器の温度は、恒温水浴によって制御されます。最初の加湿器は、主に空気加湿と温度制御に使用されます。2番目の加湿器は、主に加湿された空気がバッテリーカソードに水を持ち込み、カソードの洪水を引き起こし、バッテリーの性能に影響を与え、バッファーと温度制御として機能するのを防ぐために使用されます。使う。図1からわかるように、単セルの出力電圧が0.277Vの場合、その出力電流密度とピーク電力密度はそれぞれ142.6mA/cm2と39.5mW/cm2に達します。
2.2 空気加湿がバッテリー性能に及ぼす影響
カソード空気加湿は、バッテリーの定常状態の電流-電圧分極曲線に大きな影響を与えます。カソード空気を加湿した後のバッテリー性能は、加湿しない場合よりも明らかに優れています。主な理由は、空気陰極の水収支が不均衡であり、膜内でのプロトン透過が困難になり、バッテリー性能が低下することです。空気の陰極側で生成された水と、ナフィオン膜を介して陰極に拡散する陽極メタノール溶液が、陰極内の大量の空気によって持ち出される水分を補うのに十分でない場合、陰極の水収支が破壊され、空気極側のプロトン交換膜が失われます水が乾燥し、 膜内のプロトン透過や膜電極の構造変化(例えば、水分の損失による膜の収縮により触媒層と膜との接触が緩むなど)を引き起こし、電池性能の低下につながります。
2-3 空気加湿温度が電池性能に及ぼす影響
DMFCはpEMFCと比較してメタノール溶液を使用するため、Na-fion117膜の水収支をよりよく維持し、膜の導電率を向上させることができます。カソード空気加湿温度がバッテリーの性能に与える影響に関する文献報告は多くありません。実験では、空気加湿温度がバッテリーの性能に大きな影響を与えることがわかっています。
空気加湿温度が上昇すると、バッテリーの性能が大幅に向上します。他のプロセスパラメータと同じ条件下で、空気加湿温度が30°Cの場合、バッテリー開回路電圧は0.581V、バッテリーピーク電力は10.319mW / cm2です。空気加湿温度が60°Cに上昇すると、バッテリー開回路電圧は0.721Vになり、バッテリーのピーク電力は12.869mW / cm2に達する可能性があります。加湿温度の上昇は、一方では電池の温度を上昇させ、カソード電気化学反応の速度を加速する。一方、それはまた、空気がより多くの水分を得る原因となり、それによって空気によってバッテリーから持ち出される水分の損失をある程度補う。これにより、膜電極の水収支が確保され、Nafion117膜が乾燥して、過度の水分損失により膜抵抗が急激に上昇するのを防ぎます。同時に、実験では、空気の加湿温度が高すぎるため、空気の湿度が高くなりすぎ、水が過剰に持ち込まれ、バッテリーがより大きな電流密度で放電されると、大量のカソード反応生成水が追加され、空気がそれを取り除く時間がないことも示されました。カソードからの水分のパージと排出は、カソードフローフィールドで「電極フラッディング」を容易に引き起こし、バッテリー性能の低下につながる可能性があります。したがって、空気加湿温度は一般的に40〜60°Cの間で制御されます。
2.4 バッテリー性能に対する空気の流れの影響
空気の流れが低すぎると、カソード反応物の酸素濃度が低下し、バッテリーの性能が低下します。空気の流れが高すぎると、カソード反応物中の酸素量は増加しますが、酸素がカソード反応を満たすのに十分である場合、酸素を追加するだけではバッテリーに有益ではありません。逆に、性能の向上により、カソードから大量の水が奪われ、カソードの水収支が不均衡になり、膜電極の内部抵抗が上昇し、電池の性能が低下します。
3.まとめ
アノードおよびカソード触媒としてpt-Ru/Cおよびpt/Cを使用して、自作の膜電極を組み立て、DMFCシングルセルと検出システムを組み立てました。定常電流-電圧分極曲線法を用いて,空気加湿,空気加湿温度および空気流がDMFCの電気化学的性能に及ぼす影響を調べた。研究結果によると、空気加湿を使用したバッテリーの性能は、空気加湿なしのバッテリーの性能よりも大幅に優れています。空気加湿温度と空気流量の最適な動作プロセスパラメータは、それぞれ40~60°Cと670mL/分です。35°Cおよび常圧条件下で、DMFC出力電圧が0.277Vの場合、その出力電流密度とピーク電力密度はそれぞれ142.6mA / cm2と39.5mW / cm2に達する可能性があります。
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