直接甲醇燃料电池资料

直接甲醇燃料电池研究进展

摘要: 介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理、研究现状及最新进展, 认为直接甲醇燃料电池是目前较理想的燃料电池, 有广阔的发展前景。直接甲醇燃料电池(DMFC) 具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、结构简单、能量效率高等优点,以固体聚合物作为电解质的直接甲醇燃料电池是理想的车用动力电源,具有广阔的发展前景。

关键词:直接甲醇燃料电池;甲醇;渗透;膜;电催化剂

Performance study on direct methanol fuel cell Abstract: Working principle, current research situation and latest progress of direct methanol fuel cell are introduced .Fuel cell of this kind is regarded as a perfect one so far, with bright prospects to be expected. Direct methanol fuel cells (DMFC) had several advantages including ease transportation and storage of the fuel, reduced system weight, size and complexity, high energy efficiency. Polymer electrolyte membrane direct methanol fuel cells (PEMDMFC) were ideal power source for

vehicles with bright prospects to be expected.

.

Key words: DMFC; methanol; crossover; membrane; electrocatalyst

0引言

由于汽车尾气污染越来越严重, 从而引起世界各国的关注。汽车尾气污染的根源在于汽车发动机使用的汽油。甲醇是一种易燃液体, 燃烧性良好, 辛烷值高,抗爆性能好。甲醇又是一种洁净燃料, 燃烧时无烟,燃烧速率快, 排气污染少。不管燃烧汽油还是燃烧甲醇作汽车的动力都需要使用内燃机, 因此其噪音污染及燃料燃烧不完全引起的排放物污染是不可避免的。使用电动汽车是解决汽车尾气污染的根本办法, 同时还可以减少内燃机造成的噪音污染。燃料电池有内燃机使用燃料重量轻, 补充燃料方便等优点, 无需充电, 它的最大优点在于可把燃料的化学能直接转变成电能, 其效率不受卡诺循环限制。直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell,简称为DMFC) 无需将甲醇转变成氢源, 利用甲醇

直接在电极上反应转变成电能。直接甲醇燃料电池使用液体燃料甲醇, 使体积变小, 是最有希望成为电动汽车电源的化学电源。

1直接甲醇颜料电池的基本定义

燃料电池( Fuel Cell, 简称FC) 是一种将化学能转化为电能的电化学发电装置。由于它不受卡诺循环限制, 不排放或极少排放污染物, 所以是一种高效、清洁的新型能源。燃料电池按电解质的不同可分为碱性氢氧燃料电池( AFC) 、质子交换膜型燃料电池( PEMFC) 、磷酸型燃料电池( PAFC) 、熔融碳酸盐型燃料电池( MCFC) 及高温固体氧化物燃料电池( SOFC) 等。这些燃料电池通常需要纯氢、天然气、净化煤气或重整气等气体燃料, 因此一般需要复杂的燃料重整或精制等附属设备, 而且气体燃料的供应与储存也存在不安全因素。

直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) , 顾名思义, 可直接用甲醇作原料, 无须中间重整或转化装置, 因此具有体积小, 重量轻, 系统结构简单, 燃料来源丰富, 价格低廉, 储存携带方便等优点, 是目前各国政府优先发展的高新技术之一。

直接甲醇燃料电池( DMFC) 由两个电极及夹在其中间的质子导电膜构成[ 。电极通常为多孔电极,由背层、扩散层和催化剂层3 部分组成, 主要材料是碳支撑的贵金属。DMFC 中的电解质采用特殊离子交换膜, 是一种选择性质子导体, 它既能保持离子电荷平衡, 又能防止甲醇及其他物质渗漏到另一电极区域。将甲醇和水混合物送至DMFC 的多孔阳极区域, 甲醇直接电催化氧化生成二氧化碳, 并释放出质子和电子:

CH3OH+ H2O→CO2↑+ 6H+ + 6e- ( 1)

在阴极上氧气被还原生成水:

3/ 2O2+ 6e- + 6H+ →3H2O ( 2)

电池的总反应是:

CH3OH+ 3/ 2O2→CO2↑+ H2O ( 3)

2直接甲醇燃料电池阳极电催化剂材料

2.1铂基催化剂材料

在DMFCs 中, 对阳极电催化剂材料有3 个基本要求: 活性、稳定性、质子和电子导电性。对于铂基电催化剂, 甲醇在阳极的氧化机理涉及到一系列的基元反

应步骤, 研究表明, 其速控步骤是甲醇的第一步吸附脱氢( 低温时) 或反应中间物CO 与吸附的羟基的反应( 温度高于60 e 时) , 反应式如下:

CH3OH vPt - CH2 - OH+ Hads ( 1)

COads+ Pt - OHads vPt - COOH ( 2)

由于反应中间物CO 或Pt- ( CHO) ads是阻止甲醇进一步氧化的, 其氧化需要在较高的过电位下进行, 因此, 电催化剂材料需要具有高的活性, 即要求能在低过电位下氧化反应的中间物, 现今通常采用加入各种金属元素对铂催化剂修饰, 提高其活性; 另外, 基于电催化剂大多是贵金属, 成本高, 因此, 要求电催化剂用量少而活性高。在DMFCs 中, 采用的是质子导电膜固体电解质( 如Nafion- 117) , 其酸性相对于1mol/ L 的硫酸, 因此, 要求催化剂材料在酸性介质中具有高的稳定性。质子和电子在阳极电催化剂上经阳极半反应而产生, 质子通过质子膜传递至阴极, 而电子可以通过碳纸传递。该碳纸是由催化剂负载在碳黑上或者直接喷涂在质子膜上形成的,这就需要电催化剂与质子膜和炭黑有良好接触, 同时也要求其能有效传递质子和电子。一般认为, 相对于铂催化剂, 加入第二元金属,如T i 族、V 族的活性稍有提高, 而Fe、Cu、Co、Ni 则无促进作用, Mn 族、Cr 族的活性最高。PtRu 催化剂是最具代表性的, 具有较高的活性和稳定性, 主要有2 种: 负载在活性炭上的PtRu/ C和非负载的高分散的PtRu 催化剂。尽管国外已有商品PtRu 催化剂出售, 然对其结构及其与活性的关系还不太清楚, 而且有些结论是相互矛盾的。X1Ren 比较了E - TEK 公司的非负载的高分散PtRu 催化剂( 011 ~ 015g/ cm2 ) 、Johnson - Matther公司的PtRu/ C 催化剂( 1~ 4mg/ cm2) 的性能, 认为,如用于DMFC 中, 前者因具有好的操作性能而更为可取, 其电极更薄, 利于质子的传递。但是, Li Liu[等人通过比较Watanabe 方法制备的PtRu 和PtRu/C 催化剂, 在甲醇渗透可忽略的条件下( 浓度为015mol/ L, 电流密度为500mA/ cm2 ) , 50 ~ 90 e 时,后者0146g/ cm2 相当于未负载催化剂2g/ cm2 的性能, 因此, 如果考虑贵金属的成本, 则后者更为可取。Jef frey W等人认为, PtRu 催化剂与单相的合金PtRu 催化剂不同, 前者是多相体系, 由Pt 金属、Ru金属、Pt 的水合氧化物、Ru 的水合氧化物及RuO2组成, XRD、XPS、TEM 等表征方法证实了在PtRu催化剂中, 存在铂的面心立方结晶相, 无定形的Ru的氧化物相, 其中RuOxHy 对催化剂的活性起重要的作用, 因为RU OxHy 具有质子传