直接乙醇燃料电池的初步探究

直接乙醇燃料电池的初步探究

学科:电池材料制备工艺与设备班级: 能科131班

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目录摘要

正文

1.绪论

2.性能研究

2.1 燃料电池比较

2.2 乙醇电催化机理

2.3 DEFC阳极电催化剂

2.4 DEFC电解质膜

2.5 DEFC性能及其影响因素

3.实验探索

3.1电解质膜的预处理

3.2膜电极(MEA)的制备

3.3单电池的组装

3.4温度对电池性能的影响

3.5乙醇流量及其浓度对电池性能的影响

4.展望

参考文献

摘要

随着全世界对能源的需求与日俱增和对环境保护的要求越来越高，以氢为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)取得了重大的进展，而以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)也引起了人们的兴趣。然而，人们考虑到氢存在存储、运输和安全上的一系列问题，并且甲醇对人体有毒，因此人们试图将目光转向其它燃料，其中乙醇是一种比较理想的可用于燃料电池的燃料，直接以乙醇为燃料的燃料电池便称为直接乙醇燃料电池(DEFC)

在烷基单经基醇中，乙醇是一种最有希望代替甲醇的燃料，它可由农副产品，即所谓的生物质(Biomass)通过发酵制得，具有来源丰富、毒性低、含氢量高等优点，是一种完全可再生的资源，在某种条件下其电化学活性与甲醇接近。国内外已有成功采用乙醇作为内燃机燃料的实例，如能开发直接乙醇燃料电池，其部分基础设施仍可继续使用，对解决能源短缺和环境保护具有重要意义。本文试就直接乙醇燃料电池的开发现状、存在问题和应用前景进行探讨。关键词：燃料电池，直接醇类燃料电池、乙醇燃料电池。

1绪论

人类进入二十一世纪以来,和谐与发展已是永恒的主题,能源与环境已成为全球关注的焦点。能源是人类活动的物质基础,环境是人类赖以生存的外部条件,解决能源短缺和环境污染问题是实现可持续发展、提高人民生活质量和保障国家安全的迫切需要。我们需要一种高性能的电池来解决最重要的电能储备问题。

直接液体进样固体聚合物电解质燃料电池(Direct Liquid feed Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell)由于其操作简单，燃料易于储存和携带，有望成为氢氧燃料电池可移动动力源的替代产品。目前，直接甲醇燃料电池是世界上许多国家研究和开发的热点，且已取得了可喜的成绩，但甲醇有相当高的毒性，刺激人视神经，过量导致失明.对此，要想实现低温燃料电池在诸如手机、笔记本电脑以及电动车等可移动电源领域的应用，很有必要探索以其它的液体燃料来代替高毒性甲醇.从20世纪50年代以来，研究发现，低碳烷醇，特别是Cl- C5的伯醇可在Pt/C及PtRu/C电极上直接氧化.其中人们最感兴趣的是乙醇，从结构上看，它是链醇中最简单的有机小分子，同时，它能够通过农作物发酵大量生产，也可以从生物质中制得，来源广泛，是可再生能源.因此对直接乙醇固体电解质燃料电池的研究不仅有理论上的意义，而且一旦研制成功，实际应用潜力十分广阔.

2.1燃料电池比较

PEMFC , DMFC和DEFC分别采用纯氢、甲醇和乙醇作为燃料，具有不同的特点，表1是它们的特点比较。

由表1可看出，DEFC一方面具有燃料来源丰富、易存储、安全和可逆能量效率高等优点;另一方面，由于乙醇的电化学氧化反应颇为困难，中间产物多，过程复杂，功率密度低，现在还处于机理研究和初步研究阶段。

2.2乙醇电催化机理

乙醇在电催化剂的作用下发生电化学氧化反应过程较复杂，涉及到多种化学吸附态、碳一碳键的断裂以及多种中间产物。在质子交换膜这样的强酸性环境中，只有贵金属Pt才能稳定存在，它的催化活性较高。在酸性溶液中，乙醇在Pt上的电催化氧化反应可能按图1机理进行。

由图1可看出，乙醇在Pt上既能完全氧化为CO

，也能氧化变成乙醛和乙

2

酸。其产物的分布符合乙醇的浓度效应:即当乙醇浓度较高时，主要产物为乙

。其原因可能在于，由于乙醇的醛;当乙醇浓度较低时，主要产物为乙酸和CO

2

时，还需要额外的一个氧原

羟基中仅含有一个氧原子，要氧化为乙酸和CO

2

子，即在Pt上发生水的解离吸附:

由图1也可看出，PtOH对于乙酸和CO

的形成是必不可少的，而乙醇氧化

2

为乙醛不需要额外的氧原子，所以乙醇浓度较高时，R电极上覆盖的有机物种

的形成不利，使乙醛也较多，阻止了R的活性位上PtOH的形成，对乙酸和CO

2

成为主要产物;反之，乙醇浓度较低时，即水含量较高，有利于PtOH的形成，成为主要产物，从而产生所谓的浓度效应。

乙酸和CO

2

有研究人员利用在线质谱仪测试时发现，水与乙醇的摩尔比在5 }-2之间时，乙醇氧化的主要产物是乙醛，摩尔比越大，产物CO

越多。亦即乙醇浓度

2

越多，氧化越彻底，但乙醇浓度的降低势必会引起反应物传质越低，产物CO

2

困难，从而造成电池性能的下降。对乙醇氧化动力学的研究结果表明，乙醇浓度不同时，以下反应的速度是不相等的:

当乙醇浓度大于0.05 mol/L时，(1)式的反应速度大于(2)式，使得乙醛成

为主要产物;乙醇浓度小于0.05 mol/L时，2)式的反应速度大于(1)式，乙酸成

为主要产物。乙醇在Pt上发生氧化反应得到不同的氧化产物也与其

所处的电极电位有关。

2.3DEFC阳极电催化剂

乙醇在Pt电极上的电催化氧化反应，由于一些强吸附中间物质如CO使得

Pt很快中毒，包括线式吸附和桥式吸附的CO以及中间产物乙醛、乙酸和其它

一些副产物都被电化学调制红外反射谱(EMIRS)所检测到。然而研究结果表明，

CO中毒问题在负载型Pt催化剂表面上与其在光滑Pt电极上相比显得不太明显

问题的关键在于减少或避免反应中间产物CO的形成和吸附，或者使其在较低的

电位下氧化。为达此目的，只有对电极加以修饰来改变电极表面的氧化和吸附

物种的动力学行为。因此，Pt合金催化剂得以采用。加入的第二种或第三种金

属在酸性条件下应稳定而又有足够的氧化性，以增加吸附OH物种的浓度，直接

参与CO的电化学氧化，防止电催化剂的中毒。

近些年来，许多研究者研究了乙醇在多种R合金电催化剂上的电催化氧

化，其中包括Pt-Ru , Pt-Sn , Pt-Mo , Pt-Ru-Sn ,Pt-Ru-Mo等二元和三元合

金催化剂。对于Pt-Ru二元电催化剂，当Pt-Ru原子比为1:1时，对CO的氧化

反应表现出最好的电催化性能，能将氧化线式吸附的CO的电位从iw电位(600-

800 mV)降低约200 mV,而且Pt-Ru能在较低的电位下打开碳一碳键，然而对于

乙醇的氧化反应，Pt-Ru的化学计量比尚未得以优化。

采用Pt-Sn电催化剂是考虑到Sn能在较低电位下被OH物种覆盖，吸附的

，而且能将氧化桥式吸附的CO的电位(约OH物种的存在有利于乙醇转化为CO

2

500 mV)降低。目前，它对于乙醇的电催化氧化具有最高的活性，然而由于Pt-

Sn合金表面组成与体相组成不一致，给制备带来了一定的困难，而且Pt与Sn

的计量比需要加以优化。

Pt-Ru-Sn的催化活性略微高于Pt-Ru，但其制备更困难。

由上可见，DEFC的电催化剂的研究是今后DEFC的一个工作重点。其方向

和目标是:研究寻找能促进形成吸附OH物种的Pt系合金催化剂，使乙醇尽可能

向CO

转化;寻找能在较低的电位下氧化CO的Pt的合金电催化剂，使Pt免于2

CO的中毒作用;寻找在较低的电位下能较容易地打开碳-碳键的Pt系合金催化

。研究同时具备这几种条件的对乙醇的氧化具有高活剂，使乙醇彻底氧化为CO

2

性的电催化剂，优化其组成，提出其合适可行的制备方法以及探讨乙醇在合金

电催化剂上的电催化氧化机理是其关键。