试析直接二甲醚燃料电池的研究

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1、浙江大学化学工程与生物工程学系硕士学位论文直接二甲醚燃料电池的研究姓名：徐衎申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：李洲鹏20100301摘要二甲醚是一种无毒，可溶于水的有机物，常温常压下以气体形式存在，在0．6MPa的压力下可被液化，便于储存与运输。二甲醚分子不含C．C键，容易被完全氧化生成C02，lmol二甲醚完全氧化释放12mol电子，理论比能量密度高(8．2kmkgd)。基于上述优势，二甲醚被看作理想的燃料，可替代氢作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的燃料，构成直接二甲醚燃料电池(DDFC)。DDFC具有较高的理论能量转换效率(9

2、5％)，渗透造成的能量损失远低于直接甲醇燃料电池(DMFC)，因而被认为最具商业化价值的直接液体燃料电池。本文采用X射线粉末衍射仪、电子显微镜等材料分析方法和循环伏安和恒电流放电等电化学测试技术，研究了Pt／C和Pt．Ru／C催化剂的成分和显微结构以及二甲醚在催化剂表面的电化学催化氧化行为，并考察了Pt／C和Pt．Ru／C作为阳极催化剂对二甲醚电化学氧化的催化性能。研究表明，Ru对二甲醚没有催化活性，但是Pt．Ru合金具有协同效应，在水分子的参与下Ru金属有效催化了覆盖在n金属催化活性位的吸附解离中间产物，增强催化剂对抗易毒化物种的稳定性。相

3、对于Pt／C，使用Pt．Ru／C为阳极催化剂可减小DDFC的极化，性能有所提高，而二甲醚水溶液作为燃料可进一步强化Ru金属的作用。基于稳定性较好的Pt—Ru／C催化剂，研究了其在不同酸碱性的电解质中对二甲醚电化学氧化的催化活性和动力学性能，并提出碱性介质提高二甲醚吸附氧化速率的理论模型。在较小电位下，碱性介质中OH基团在Ru上吸附，增强对二甲醚电化学氧化产生的中间产物脱附的催化活性，提高二甲醚电化学氧化反应速率，进而有利于保护催化活性位，提高二甲醚在催化剂上的吸附氧化速率。在碱性介质中二甲醚的氧化峰电流达到120mAcm也，远远高于酸性介质(

4、20mAcm五)。使用碱性电解液饱和二甲醚作为燃料时DDFC性能显著提高。温度，催化剂担载量，电解质浓度和电解质膜对于使用碱性电解质饱和二甲醚作为燃料的DDFC性能提高效果明显，2MNaOH饱和二甲醚作为燃料在80"C时使用Nation112膜的DDFC最大输出功率达到81mWem。2。以理论电位更高的双氧水取代氧气作为阴极氧化剂的直接二甲醚／双氧水燃料电池(DDHPFC)，由于使用双氧水作为氧化剂，显著提高了阴极电位，改善阴极极化，电池性能大幅度提升。温度，双氧水浓度，电解质浓度和使用的V电解质膜对DDHPFC性能有很大影响，2MNaOH饱

5、和二甲醚作为燃料在8012时，使用Nation112膜的DDHPFC最大输出功率达到265mwcm之，是迄今为止使用二甲醚为燃料的燃料电池中最好的性能。作为理想的替代燃料，直接二甲醚燃料电池的发展前景广阔，有待更加深入的研究开发。关键词-直接二甲醚燃料电池，阳极催化剂，碱性电解液，吸附氧化速率，电池性能ABSTRACTDimethylether(DMEl、析t11theformulaCH30CH3isanon—toxicorganiccompoundsolubleinwater．GaseousDMEcanbeeasilypressurized

6、intoliquidunder0．6MPaatroomtemperatureforstorageanddistribution．DMEwithoutC—CbondCanbealmostcompletelyelectrooxidizedtoC02．OnemoleofDMEcanrelease12electrons．DuetofavorablephysicalpropertiesofDMEasafuelanditsllightheoreticalenergydensityof8．2kWhkg一．DMEisregardedasapromisinga

7、lternativefueltohydrogenusedinprotonexchangemembranefuelcell(PEMFC)．Sincedirectdimethyletherfuelcell(DDFC)hasarelativelyhi曲theoreticalenergyconversionefficiency(95％)witlllessenergylossthandirectmethanolfuelcell(DMFC、duetofuelcrossover,itisbelievedtllattheDDFCcouldbeavaluabl

8、edirectliquidfuelcellcandidateforcommercialization．Thesurfacecomposition，microstru