乙醇燃料電池

乙醇燃料電池---直接乙醇燃料電池(DEFC)由于乙醇的天然存在性、無(wú)毒,是一種可再生能源開(kāi)始引起人們的研究興趣。然而，乙醇燃料電池目前多以含有CO2的空氣作為氧氣的來(lái)源，故堿性不斷的下降，進(jìn)而使得電池?zé)o法完全正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至根本無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。但與直接甲醇燃料電池和氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池相比,DEFC的功率密度很低,遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平。雖然直接甲醇燃料電池中的甲醇滲透問(wèn)題受到人們的關(guān)注而且已經(jīng)進(jìn)行了深入研究,但DEFC 中的乙醇滲透問(wèn)題目前鮮有問(wèn)津。在本論文中,系統(tǒng)研究了乙醇透過(guò)Nafion-115 電解質(zhì)膜的滲透率,并與相應(yīng)的甲醇的滲透率進(jìn)行了比較。與此同時(shí),研究比較了它們對(duì)PtRu 為陽(yáng)極催化劑的直接醇類(lèi)燃料電池性能的影響。進(jìn)一步研究了膜電極集合體(Membrane Electrode Assembly, MEA)制備方法對(duì)DEFC 性能的影響。而且采用半電池和單池評(píng)價(jià)技術(shù)研究了乙醇在碳載PtSn催化劑上的電氧化機(jī)理。此外,對(duì)以乙醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)操作體系進(jìn)行了有效能分析(ExergyAnalysis)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與相同濃度的甲醇水溶液相比,透過(guò)Nafion膜的乙醇的滲透率低于甲醇的滲透率。由于乙醇滲透率小而且乙醇在Pt/C 催化劑上的電氧化活性低使得乙醇滲透對(duì)直接醇類(lèi)燃料電池的陰極性能影響小。但是,乙醇對(duì)電解質(zhì)膜的溶脹能力強(qiáng),造成了電池性能衰減和失活,這是DEFC 研究的一個(gè)重要技術(shù)難題。 MEA 制備方法對(duì)乙醇滲透、DEFC 的開(kāi)路電壓和電池性能都有明顯的影響。盡管與傳統(tǒng)電極制備方法相比,薄層轉(zhuǎn)壓技術(shù)的多步驟操作過(guò)程對(duì)陽(yáng)極PtRu 催化劑的表面組成和陰極Pt 催化劑的粒徑分布都有明顯的影響,但由于其制備的MEA 催化層薄而且催化劑與電解質(zhì)膜之間接觸好而使之具有較好的DEFC 性能。 從Pt/C 和PtSn/C 分別為DEFC 陽(yáng)極催化劑的單池恒電流放電產(chǎn)物分布以及電化學(xué)表征結(jié)果可以看出,錫能夠明顯提高鉑對(duì)乙醇的電催化活性,它能使乙醇比在Pt 上更低的電位下氧化生成乙酸,但是,乙醇氧化的產(chǎn)物仍然主要是含C-C 的化合物,C-C 鍵的斷裂仍是其核心問(wèn)題。根據(jù)單池放電產(chǎn)物的分布結(jié)果提出了乙醇在PtSn/C 催化劑上電氧化的可能機(jī)理。

1.易儲(chǔ)存，易推廣:與H2、CO、CH4等氣體燃料電池的燃料相比，乙醇是液體的，易儲(chǔ)存，尤其是無(wú)需在現(xiàn)有的公路交通體系下"另起爐灶"--建設(shè)耗資巨大的氣體燃料補(bǔ)給站(加氣站)，只要在現(xiàn)有的加油站的基礎(chǔ)上，稍加改動(dòng)即可完成產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。

2.乙醇燃料工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纖維素的"農(nóng)業(yè)剩余廢物"水解發(fā)酵得到。

3.乙醇(就是俗稱(chēng)的酒精)，基本無(wú)毒，并且有特殊氣味;所以一旦泄漏對(duì)生物和環(huán)境的危害很小，并且容易被發(fā)現(xiàn)。

然后，我們看看其機(jī)理和目前存在的問(wèn)題:總結(jié)了一下研究者提出的可能機(jī)理，我認(rèn)為有可能將乙醇完全反應(yīng)為CO2和H2O:

CH3CH2OH + H20一CH3COOH+4H+ + e (1)

CH3CH2OH~CH3CHO +2H++2e(2)

Pt + H2O一Pt-OHads + H + +e- ( 3 )

CH3CHO +Pt-OHads一CH3COOH+H十+e -+_Pt (4)

Pt + CH3CH0-Pt-(CO-CH3 )ads+H十+e- (5)

Pt + Pt一(CO-CH3 )a。一Pt一(CO)ad, + Pt一(CH; )ads (6)

2Pt+H2O-Pt-O Hate十Pt-H,d, (7)

Pt一(CH3)a&+Pt-Had一CH4+2 Pt (8)

Pt--(CH3)ads+Pt--OHads-2Pt+CH3OH(9)

Pt+CH3OH-Pt-(CHOH)+H+e-(10)

Pt-(CHOH)+Pt-OHads-CHO+H2O+2Pt(11)

Pt+CHO-Pt-(CO)ads+H+e(12)

Pt一(CO)aas+Pt-OHad一CO2+2 Pt+H十+e- (13)

但是，由于很多的步驟多有H+和CO2的生成，所以消耗了OH-，然而"關(guān)鍵的步驟"有需要Pt-OHads充分的存在才能進(jìn)行，因此，若要讓乙醇充分完全的反應(yīng)，則必須保持OH-離子的充分過(guò)量(甚至是過(guò)飽和)才行。

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1.用純的O2，或是現(xiàn)制的O2。

2.對(duì)堿性的溶液進(jìn)行定期的更新，或使用化學(xué)的藥劑"激活"。

3.不使用時(shí)，阻斷空氣，延長(zhǎng)使用的時(shí)間。

乙醇燃料電池，酸作電解質(zhì)

總反應(yīng):C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

正:3O2+12H(+) +12e(- ) = 6H2O

負(fù):C2H5OH+ 3H2O - 12e(-)=2CO2+ 12H(+)

乙醇燃料電池，堿溶作電解質(zhì)

總反應(yīng):C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O

負(fù)極:C2H5OH+16OH(-)-12e(-)=2CO3(2-)+11H2O

正極:3O2+12e(-)+6H2O=12OH(-)