直接甲酸燃料电池的研究进展.pdf

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1、第27卷第8期应用化学V0I．27No．82010年8月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYAug．2010直接甲酸燃料电池的研究进展沈娟章杨改秀唐亚文陆天虹(南京师范大学化学与环境科学学院南京210097)摘要近年来，直接甲酸燃料电池(DFAFC)的研发取得了很大的进展，已有报道用Pd作阳极催化剂的DFAFC的最大能量密度为0．25W／em，很接近于以氢为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，表明DFAFC有很好的发展前景。综述了DFAFC的研究进展、甲酸电氧化机理、阳极复合催化剂性能提高的原因和

2、机理、DFAFC存在的主要问题，并对其发展进行了展望。关键词直接甲酸燃料电池，化学原理，阳极催化剂，钯催化剂中图分类号：O646文献标识码：A文章编号：1000-0518(2010)08-0869-06D0I：10．3724／SP．J．1095．2010．90726以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)被普遍认为是有发展前途的燃料电池，许多公司和研究组长期以来一直致力于PEMFC的研发，然而PEMFC存在一些不易克服的问题，如价格高、无合适的氢源、零度以下结冰和寿命短等，因此一直未能产业化¨。于是又开始研究以液体燃料甲醇

3、代替氢气作燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)，但是经过20年左右的研究，逐步发现DMFC也存在一些重大的问题，如甲醇不易电催化氧化、容易透过Nation膜而使电池性能下降、有毒等，使研发受到限制4。。由于PEMFC和DMFC的上述缺点，使得最近几年人们对用甲酸代替甲醇作燃料的直接甲酸燃料电池(DFAFC)的兴趣逐渐增加，DFAFC有很多优点，如甲酸无毒，被美国食品局和药品监督管理局列为安全的食品添加剂川；甲酸不易燃，存储和运输安全方便；甲酸的电化学氧化性能比甲醇好很多；用甲酸作燃料时，甲酸的浓度可高达10mol／L，而甲醇的最佳

4、浓度在2mol／L左右。因此，虽然甲酸的能量密度为6．264×10。J／kg，约是甲醇的1／3，但由于甲酸使用的浓度比甲醇高5倍左右，所以DACFC的能量密度反而比DMFC高3倍左右；甲酸是一种电解质，有利于增加阳极室内溶液的质子电导率。由于质子交换膜中的磺酸基团与甲酸阴离子间有排斥作用，因此，甲酸对Nation膜的渗透率比甲醇小一个数量级；DFAFC比DMFC有更高的电动势¨；甲酸的电化学氧化可通过直接途径进行，所以催化剂不易中毒；甲酸的最佳工作浓度在15mol／L，此时，其冰点较低，所以DFAFC可以在低温下工作。早在199

5、6年，。Savinell研究组就提出了DFAFC【】川，但一直到2002年，Masel研究组报道了甲酸是PEMFC的最好燃料，并制备了用Pt作阳极催化剂的第一台DFAFC样机，DFAFC才开始受到重视【1。，此后，有关DFAFC的报道日益增加。开始时所研究的阳极催化剂主要是Pt基催化剂，在Masel研究组发现Pd催化剂对甲酸氧化的电催化活性比Pt催化剂好后，Pd催化剂开始受到重视¨，有关DFAFC的Pd阳极催化剂的文章陆续出现。例如，Masel研究组u刮首次报道了炭载Pd(Pd／C)催化剂，作者研究组报道了制备具有小的Pd粒子平

6、均粒径的Pd／C催化剂，2005年，Masel研究组制备了以Pd作为阳极催化剂的DFAFC，发现该电池的最大能量密度在0．25W／cm左右，很接近于以氢为燃料的PEM．FCLl引。但是，DFAFC也有一些缺点，例如Pd催化剂虽然对甲酸氧化的电催化活性好，但其稳定性不好等。最近，王振波¨和廖世军研究组对DFAFC的催化剂研究进行了评述。本文主要综述了DFAFC2009—11-o4收稿，2010-03-01修回科技部“八六三”项目(2007AAOSZI43，2007AA05Z159)、国家自然科学基金(2o7O3o43，20873o

7、65)资助项目通讯联系人：陆天虹，研究员，博士生导师；E-mail：tianhonglu@263．net；研究方向：燃料电池应用化学第27卷的研究进展、甲酸电氧化机理、阳极复合催化剂性能提高的原因和机理，并对DFAFC存在的主要问题和发展进行了展望。1甲酸电氧化机理和PEMFC一样，DFAFC也用空气中的氧作为阴极氧化剂氧气在阴极上的还原是4电子的反应。在阳极上，每个甲酸分子氧化产生2个电子。DFAFC的阳极、阴极及总的反应方程式和电位如下：阳极：HCOOH—CO2+2H+2e—E。一一0．25V(．SCE)(1)阴极：÷o2+

8、2H+2e一H2OEo：1．23V(vs．SCE)(2)总反应：·HCOOH+1O2—}CO2+H2O开路电压(ocv)约为1．48V。甲酸的理论能量密度由下式确定：2F×OCV×(MW)一。从摩尔质量(MW)(kg／mo1)、OCV(V)和法拉第常数(F=96