直接甲酸燃料电池的研究发展 毕业论文

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1、直接甲酸燃料电池的研究发展摘要：由于直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有较高的理论开路电压、较低的燃料渗透速率以及低温下具有高的能量密度等特点，近年来取得了很大的研究进展。本文分别从甲酸燃料电池阳极电氧化的机理，铂、钯等阳极催化剂和阴极催化剂的研究进展，直接甲酸燃料电池(DFAFC)存在的问题等方面做一综述。关键词：直接甲酸燃料电池催化剂研究进展一：引言随着能源问题和由于大量燃烧矿物燃料引起的环境问题日趋严峻，燃料电池以其高效、洁净等优点引起了人们越来越广泛的关注。直接甲酸燃料电池(directformicacidfuelcell，DFAFC)是一种近年发展起来的新型燃料电池，被认为是最有

2、可能最早获得商业化应用的燃料电池。与直接甲醇燃料电池及质子交换膜燃料电池相比，这类电池具有如下优点:(1)直接甲酸燃料电池具有更高的功率密度、能量效率和电动势［1］;(2)甲酸的膜透过率比甲醇低［2］(3)甲酸的毒性比甲醇小(4)甲酸可燃性低，比甲醇更安全。自第一例关于甲酸燃料电池的报道以来［3］，人们开展了大量的研究工作，取得了许多重要的成就，目前直接甲酸燃料电池在一些方面的性能已接近氢气质子交换膜燃料电池［4］。钯和铂被广泛用作直接甲酸燃料电池的阳极催化剂。甲酸的阳极催化氧化有两种机理，一种为直接氧化机理，另一种为双途径机理(CO路径机理)［5］。二：甲酸燃料电池阳极电氧化的机理DF

3、AFC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:具体反应方程式如下：阳极：HCOOH→CO2+2H++2e--0.25V（vs.SHE）（1）阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O1.23V（vs.SHE）（2）总反应：HCOOH+1/2O2→CO2+H2OUOC=1.48V（3）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)－1。从摩尔质量(MW)(kg/mol)、OCV(V)和法拉第常数(F=96485C/mol)，可得甲酸的能量密

4、度为1725Wh/L。早在1964年，人们就开始研究甲酸电化学氧化的机理［7］。此后，又有许多相关的报道，其中最为广泛接受的机理是所谓的双途径机理［8-10］双途径机理表明，甲酸电氧化可通过2个平行的途径进行，即直接途径和CO途径。直接途径是甲酸通过脱氢反应直接氧化为CO2，不形成CO中间产物:直接途径:HCOOH→CO2+2H++2e－(4)CO途径是甲酸先脱水，形成CO中间产物，CO容易吸附在催化剂表面而形成吸附的CO(COads)，然后COads再氧化为CO2:CO途径:HCOOH→COads+H2O→CO2+2H++2e－(5)由于直接途径不易使催化剂中毒，因此是所希望的途

5、径。而CO途径易使催化剂中毒，是所不希望的途径。研究发现，甲酸在Pt催化剂上主要通过CO途径氧化，而在Pd催化剂上主要通过直接途径氧化，因此Pd催化剂对甲酸氧化的电催化活性要比Pt催化剂高［6，9，11］。三：阳极催化剂研究进展研究表明，直接甲酸燃料电池的阳极催化剂应该具有如下特点:1.较高的氧化甲酸的催化活性;2.不生成毒化催化剂的中间体,或者对于甲酸氧化中间体具有良好的抗毒化作用;3.催化剂需要具有良好的稳定性和耐久性[12]。一般的Pt基或Pd基复合催化剂性能提高的机理有以下3种：（1）加速COads氧化速度机理这种机理主要用于Pt基催化剂，如Pt/Ru催化剂，Ru并不改变甲酸在P

6、t催化剂上氧化的途径，其主要作用是加快COads在Pt催化剂上的氧化速度，因此提高了甲酸在Pt催化剂上的氧化速度，改进了Pt催化剂对甲酸氧化的电催化性能［13］。（2）降低COads吸附量机理这种机理适用于Pt基和Pd基催化剂上，例如，对于Pt/Au催化剂，Au的主要作用是降低COads在Pt上的吸附量，因此促使甲酸在Pt上氧化主要通过直接途径进行，降低了Pt催化剂被COads毒化的几率，提高了Pt催化剂对甲酸氧化的电催化性能［14-16］。一般来说，通过加速COads氧化速度机理来提高Pt或Pd催化剂性能的效果要比降低CO吸附量的效果差，因此Pt/Au催化剂对甲酸氧化的电催化性能优于P

7、t/Ru催化剂。（3）电子效应机理电子效应机理也适用于Pt基和Pd基催化剂，例如在Pt/Pb催化剂中，由于Pt和Pb之间的电子效应，使Pt/Pb催化剂中金属Pt的质量分数从80.3%增加至84.6%，而PtO或Pt(OH)2的质量分数从19.7%下降至15.4%，金属Pt质量分数的增加提高了Pt催化剂对甲酸氧化的电催化性能［17］。作者研究组在最近的研究中发现［18］，在制备的Pd-P/C催化剂中，Pd和P也存在电子效应，因此在Pd