直接甲醇燃料电池负极催化剂的研究进展--毕业论文

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1、【标题】直接甲醇燃料电池负极催化剂的研究进展【作者】孙柏清【关键词】直接甲醇燃料电池  负极催化剂；【指导老师】张国庆【专业】化学【正文】前 言: 随着能源日趋枯竭，能源问题已经成为当今世界上的热点话题，而燃料电池由于其能量转换效率高、环境污染少、比能量高、使用寿命长、操作方便可靠和灵活性大等特点被认为是21世纪首选洁净和高效的发电技术，已经成为解决能源问题的一个重要途径。DMFC由于其燃料为液态甲醇，与气体燃料相比，易于储备和运输，具有较高能量转换效率，且工作温度低，反应产物主要为水和少量CO2，因此被认为是一种十分理想

2、的可移动电源，极具发展前途。目前几乎所有DMFC研究机构都将催化剂问题视为DMFC的首要难题，这是因为甲醇在负极反应活性较低，为一不可逆反应过程，具有较高的极化电位。另外，由于目前催化剂活性还不够理想且贵金属的利用率较低，为保持一定反应速率，不得不采用大量的贵金属催化剂。这不可避免地增加了DMFC的成本，限制了DMFC的应用范围，降低了其竞争力[1]。因此，开发高活性的新型催化剂，提高贵金属利用率，降低贵金属的使用量，一直是燃料电池研究的重点之一。1DMFC工作原理   直接甲醇燃料电池膜电极是由甲醇负极、氧阴极和质子交换

3、膜构成。负极和阴极分别由多孔结构的催化层和扩散层组成（见图1）：其中催化层是电化学反应发生的场所，常用的负极和阴极电极催化剂为Pt的一元、二元、三元或多元贵金属催化剂；扩三层起到支撑催化层、收集电流及传导反应物作用，一般是由导电的多孔材料制成,现在使用的多为表面涂有碳粉的碳纸或碳布。目前质子交换膜多采用全氟硫酸高分子膜（如杜邦公司的Nafion膜）[2]。DMFC的发电原理可描述为：将甲醇和水的混合物送至DMFC负极，甲醇将在催化层发生电氧化反应生成二氧化碳，并释放出电子和氢质子；负极产生的氢质子穿过电解质迁移至阴极与氧气

4、反应生成水，产生的电子从负极经外电路经过负载流向阴极形成直电流；与此同时少量甲醇在扩散和电渗作用下，从负极渗漏到了阴极，部分甲醇又在阴极催化剂层与氧气反应生成二氧化碳和水。甲醇在负极的氧化反应如下:　CH3OH +H2O  → CO2 +6H+ +6e-      E10 =0.046V来自空气中的氧在阴极的还原的反应是:3/2　O2 +6H+ +4e-  →3H2O      E20 =1.23V电池总反应如下:　　CH3OH +3/2O2 → CO2 +2H2O       E =E20 –E10 =1.18V原理上,

5、当负极电位等于或稍大于0.046V时,甲醇氧化反应能自发地进行。同样,当阴极电位等于或稍低于1.23V时,氧气还原反应也能自发地进行。一个甲醇分子完全氧化成CO2是一个6电子转化过程。实际上,由于甲醇氧化的过程不完全,往往有中间产物如HCHO、CH3COOH以及一些类CO化合物的生成。电极表面会吸附这种反应的中间产物,从而导致催化剂中毒。电极表面的吸附使得电极反应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,负极需要一个更强的正电位,阴极需要一个更强的负电位,以加速电极反应的进行。另外,电极

6、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。2DMFC 研究现状[3] DMFC的构想是20世纪90年代初NASN的JPL实验室和南加洲大学[4]的研究者首先提出，美、德、英、意、加等国又相继开展了基础研究和应用方面的探索。在美国，洛斯阿拉莫斯国立实验室（LANL）在国防先进研究机构(DARPA)和美国能源部的资助下分别开展便携式电源应用和运输业用的DMFC电堆，每个电池的间距降低到2cm，能用于便携式电源，功率密度分别为300W/L和1KW/L，电池采用PtRu催化剂，燃料采用率达到90%。在T

7、echSys公司的资助下，JPL于2002年初研制出了一种新型便携式DMFC，它使用一种新的轻型单极平板技术，与传统设计不同，能在环境温度下有效运行，无需风扇。在欧洲，英国Newcastle大学在980C的工作温度条件下，以氧气为催化剂，氧气压力为0.5MPa，最大输出功率达到350mW/cm2。德国西门子公司在1998年曾报道：催化剂载量为2mg/cm2，使用Nafion117膜，温度为1100C，氧气压力为0.2MPa，输出功率达到200mW/cm2；而在低温800C时，负极的催化剂载量降低到1mg/cm2,电压为50

8、0mV时功率密度达到50mW/cm2；其目标是建立1KW的电池组，主要用于工业上的移动电源。针对手机电源和笔记本电源方面的巨大市场[5]，许多大公司也相继投入了到了微型DMFC的开发和研究中来，ManhattanScientifics公司早在1998年就在研发商标名为Micro-fuelCell的微型D