DMFC 直接甲醇燃料电池简介.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑DMFC 直接甲醇燃料电池简介 直接甲醇燃料电池 1.1 DMFC 的工作原理 直接甲醇燃料电池（DMFC）是以质子交换膜为电解质、液态甲醇为燃料的一种新型燃料电池如图 1.1 所示，它主要由阳极、阴极和电解质膜三片面组成DMFC 工作时，甲醇和水的混合物经分散层分散进入催化层，在阳极催化剂的作用下直接发生电化学氧化回响生成 CO2、6 个电子和 6 个质子 质子经质子交换膜由阳极迁移到阴极区，而电子经外电路做功后到达阴极区氧气（或空气）经分散层分散进入催化层并在阴极催化剂的作用下与流入阴极区的电子和质子发生电化学回响生成水电池的总回响方程式如式 1-1 所示，电子在迁移过程中经外电路做功形成回路产生了电流，实现了化学能到电能的转化 (1)、酸性条件下电极回响与电池总回响方程式为： 阳极： CH3OH + H2O → CO2+ 6H+ + 6e- E10 = 0.046 V 阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e- →3H2O E20 = 1.23 V 总回响：CH3OH + 3/2 O2 →CO2 + 2H2O E = E20 - E10 =1.18 V (1.1) 从总回响方程式可以看出，DMFC 中甲醇的化学能转化为电能的电化学回响结果与甲醇燃烧生成二氧化碳和水的回响一致。

由于阳极甲醇氧化回响的可逆电势较氢标准电势高，因此，DMFC 的标准电势较氢氧燃料电池更低理论计算结果说明：DMFC的 E0=1.183 V，能量转化率为 96.68 %，但电池的实际工作电 压远小于此值当阳极电势≥0.046 V（可逆氧化电势）时，甲醇将自发举行回响；一致地，当阴极≤1.23 V（可逆恢复电势）时，氧也可以自发地发生恢复回响因此，阳极电势比 0.046 V 高的多而阴极电势比 1.23 V 低得越多时，电极回响速度就越快，而此偏离热力学电势的极化现象使得 DMFC 的实际工作电压比标准电势 E0低 (2)、碱性条件下电极回响与电池总回响方程式为： 阳极： CH3OH + 6OH- → CO2+ 5H2O + 6e- 阴极： 3/2 O2 + 6H2O + 6e- → 6OH- 总回响：CH3OH + 3/2 O2 →CO2 + 2H2O DMFC 的期望工作温度为120 ℃以下 1.2 DMFC 的主要技术问题 (1) 阳极催化剂问题目前，DMFC 最常用的阳极催化剂为 Pt 基催化剂但 Pt 催化剂对甲醇的电催化氧化活性不高，而且易被甲醇氧化生成的中间产物 CO 毒化，致使 Pt催化剂的电催化性能降低。

因此，研制高效、抗毒化的阳极催化剂是 DMFC 实现商业化的首要任务 (2) 甲醇渗透问题目前 DMFC 研究使用的大多为 Nafion?（全氟磺酸膜）质子交换膜，由美国杜邦公司研制开发Nafion?膜具有优良的质子电导、机械强度和化学稳定性，但甲醇很轻易透过 Nafion?膜到达阴极，这不仅滥用了燃料，而且透过的甲醇会在阴极发生氧化回响，产生混合电位，使阴极催化剂中毒；而且还能增加阴极极化，从而降低 DMFC的开路电压及电池输出效率，因此，研究阻碍甲醇渗透也是 DMFC 进展和应用关键技术问题 (3) DMFC 的本金问题由于在 DMFC 中，贵金属催化剂的用量较多，且常用的Nafion 膜的价格很高，因此，如何降低 DMFC 的本金，也是值得关注的一个问题 1.3 DMFC 的阳极电催化 电催化是电极与电解质界面上的电荷转移回响得以加速的一种催化作用，实际上为多相催化的一个分支电催化回响的速度主要由电催化剂的活性，双电层内电场及电解质溶液的本性抉择 电催化回响所需要的活化能对比低，这是由于双电层内高强度的电场对加入电化学回响的分子或离子的活化作用造成的，所以，大片面电催化回响可以在比通常的化学回响低得多的温度（如室温）下举行。

例如在铂黑电催化剂上，丙烷可以在 150~200 ℃完全氧化为水和二氧化碳 电催化作用主要表现在以下三个方面: (1) 电极与活化络合物的作用，通过不同的电极引起回响活化能的变化，来变更回响速率，起到催化作用 (2) 电极与吸附物的作用，通过电极—吸附物键强弱的变化，来变更吸附物的浓度合电极外观笼罩度，并以此来变更回响速率和回响历程，起到催化作用 (3) 电极对溶液双电层的影响，由于回响的溶质和溶剂在不同电极上的吸附才能不同，界面的双层布局也不同通过选择电极可以变更回响速率，起到催化作用 1.3.1 甲醇阳极电催化及电催化剂中毒机理研究 醇在阳极催化剂外观的吸附解离是一个繁杂的过程，需要经过多个回响步骤，形成一系列的中间产物甲醇的主要氧化产物是 CO2和 H2O，但还会随回响条件的变更而产生一系列的副产物（如 CO 等）CO 极易吸附在催化剂外观，占据 Pt 催化剂的外观活性位，阻拦甲醇的解离吸附，从而造成催化剂的中毒几个ppm 的 CO 就能使催化剂因 CO 中毒而失去活性随着电池工作时间的延长，催化剂的性能将不断下降；催化剂外观 CO 的浓度越高，电池性能下降越快，但随着回响温度的升高，CO 中毒现象将会减轻。

甲醇在电极上氧化为 CO2需要传输 6 个电子，但是 6 个电子同时传递是不太可能的实际上 ,由于甲醇氧化的过程不完全 ,往往有中间产物如 HCHO、CH3 COOH 以及一些类 CO 化合物的生成 电极外观会吸附这种回响的中间产物 ,从而导致催化剂中毒 电极外观的吸附使得电极回响偏离了它的热力学标准 ,导致理论上较高的电池效率实际上大大地降低了 实际过程中 ,阳极需要一个更强的正电位 ,阴极需要一个更强的负电位 ,以加速电极回响的举行 另外 ,电极上存在的活化过电位 、欧姆过电位和传质过电位也会引起电极电位大大的降低 关于甲醇氧化回响的机理研究，在不同的电解质中可能不同一般认为，甲醇电氧化过程分为两个步骤： （1）甲醇吸附在电催化剂外观，经过多步脱氢后形成含碳中间产物 — 5 —。