Pt-AuCNT@TiO_sub_2+_sub_作为甲醇燃料电池的高活性阳极催化剂

2011

Chinese Journal of Catalysis

V ol. 32 No. 1

文章编号: 0253-9837(2011)01-0074-06

国际版DOI : 10.1016/S1872-2067(10)60163-5

研究论文: 74~79

Received 12 June 2010. Accepted 19 October 2010.

*Corresponding author. Tel/Fax: +86-10-64434904; E-mail: zhangjc1@https://www.wendangku.net/doc/1a9237561.html,

Foundation item: Supported by the National Science Foundation of China (20636060) and the International Science and Technology Cooperation Program of China (2006DFA61240)

English edition available online at ScienceDirect (https://www.wendangku.net/doc/1a9237561.html,/science/journal/18722067).

Pt-Au/CNT@TiO 2 作为甲醇燃料电池的高活性阳极催化剂

王秀瑜, 张敬畅, 朱 红

北京化工大学现代催化研究所化工资源有效利用国家重点实验室, 北京100029

摘要：

以 TiO 2 包覆的多壁碳纳米管 (CNT@TiO 2) 为载体, Pt 和 Au 为活性物质, 采用沉积紫外光催化还原法制备出高活性的甲醇阳极电催化剂 Pt-Au/CNT@TiO 2, 并采用 X 射线衍射、透射电镜和 X 射线光电子能谱对催化剂样品的物化特征进行表征. 催化剂的抗毒性能用循环伏安和交流阻抗测试来表征. 结果表明, 粒径为 2~3 nm 的 Pt-Au 纳米粒子均匀的分散在 CNT@TiO 2 载体上. 与普通化学还原方法制备的 Pt-Au/CNT 电催化剂相比, Pt-Au/CNT@TiO 2 催化剂表现出更高的抗毒性. 这是因为: (1) Pt-Au 合金和 TiO 2 的相互作用使 Pt-Au 合金的电子密度增加, Pt-Au 电子密度的增加会传递部分电子到 CO 的反键轨道上, 从而削弱碳氧键, 最终促使过氧化电位降低; (2) 高价态的钛离子分解水分子从而形成吸附态的 OH ad 物种, 此物种与吸附在 Pt 表面的 CO 反应最终生成 CO 2.

关键词：铂; 金; 二氧化钛; 碳纳米管; 电催化剂; 直接甲醇燃料电池 中图分类号：O643 文献标识码：A

Pt-Au/CNT@TiO 2 as a High-Performance Anode Catalyst for

Direct Methanol Fuel Cells

WANG Xiuyu, ZHANG Jingchang *, ZHU Hong

State key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Institute of Modern Catalysis,

Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

Abstract: Multi-walled carbon nanotubes (CNT) modified using TiO 2 nanoparticles (CNT@TiO 2) were prepared. Then, Pt-Au/CNT@TiO 2 catalysts were prepared by a deposition-UV-photoreduction method for direct methanol fuel cells. The physico-chemical properties of the catalysts were characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. The catalytic performance was evaluated by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The Pt-Au nanoparticles were found to be uniformly deposited onto the CNT@TiO 2 support and had diameters of 2–3 nm. Compared with the Pt-Au/CNT catalyst that was made using a general chemical method, Pt-Au/CNT@TiO 2 exhibits higher CO-tolerance for the following reasons. Firstly, the strong interaction between the Pt-Au alloy and TiO 2 leads to an increase in electron density on the metallic Pt-Au, which transfers electrons to the πCO * orbital of CO and weakens C–O binding while the oxidation overpotential is lowered. Secondly, the high-valence Ti ions dissociate water to form OH ad (ad: adsorbed) species, which then reacts with the strongly bound CO ad on the Pt surface to form CO 2.

Key words: platinum; gold; titanium dioxide; carbon nanotube; electrocatalyst; direct methanol fuel cell

Recently, much effort has been devoted to developing suitable catalysts for methanol electrooxidation in direct methanol fuel cells (DMFC) [1–3]. As the main active in-gredient for methanol electrooxidation, Pt can be easily poisoned by residual intermediate species such as CO [4–6]. Platinum alloys have been extensively investigated to re-duce the poisoning effect and thus improve catalytic per-formance [7,8]. For example, Choi et al. [9] found that the Pt-Au alloy catalyst had improved activity for methanol oxidation because the incorporation of Au could lead to the segregation of Pt sites and further reduce the number of adsorption sites for CO.

The surface structure, electronic properties, and catalytic performance of the alloy nanoparticles are closely related to

https://www.wendangku.net/doc/1a9237561.html, 王秀瑜等:Pt-Au/CNT@TiO2作为甲醇燃料电池的高活性阳极催化剂 75

the preparation method used and the type of support. How-ever, the synthesis of Pt-Au alloy nanoparticles is complex because of the different reduction kinetics between Pt and Au ions [10]. Another concern with the preparation of the bimetallic alloy is the support material because a strong interaction between alloy and support leads to a charge be-cause of electron density on the metals [11]. For this reason a facile method, i.e., a deposition-UV-photoreduction method to prepare a well-dispersed Pt-Au alloy is proposed. TiO2 can be used as the support and can also act as a reduc-ing agent to reduce platinum ions. We used TiO2 as a part of the support because TiO2 generates electrons under UV irradiation [12]. We expected that the electrons present on the surface of TiO2 would be directly involved in the reduc-tion of metal ions. This strategy should enhance CO-tolerance performance on Pt-based catalysts during the electrooxidation of methanol and this can provide a new theoretical perspective for the development of new catalytic materials.

1 Experimental

1.1 Preparation of the catalyst

Suitable amounts of TiCl4 and multi-walled carbon nanotubes (CNT) were ultrasonically dispersed in 80 ml of ethanol. The suspension was then loaded into a 100 ml stainless steel autoclave. The autoclave was sealed and placed in an oven at 262 °C under 6.8 × 106 Pa for 2 h to obtain CNT:TiO2 with a mass ratio of 9:1. The product was allowed to cool to room temperature naturally. A dark pre-cipitate was separated from the solution by centrifugation and repeatedly washed with distilled water. The produced sample was vacuum-dried at 60 °C for 6 h and denoted CNT@TiO2.

H2PtCl6·6H2O (20.12 mg), HAuCl4·3H2O (4.23 mg), and CNT@TiO2 were dispersed in a mixture of 20 ml distilled water and 40 ml ethylene glycol for 1 h under ultrasonica-tion. The pH of the mixture was then adjusted to 9 using a sodium carbonate solution (0.01 mol/L). All the processes were carried out at 0 °C under a nitrogen atmosphere. The prepared precursor was then exposed to a laser UV light source and this consisted of a (375 ± 5) nm light beam from a laser diode oscillator (power, 10 mW; Model TC20-3710-4.5, NEOARK Corp, Tokyo, Japan). After 30 min a Pt:Au atomic ratio of 10:2 was obtained. The product was washed repeatedly with distilled water until no Na+ or Cl– ions were detected. The catalyst was then dried under vacuum for 3 h at 25 °C. The sample was stored in a vac-uum desiccator and denoted Au-Pt/CNT@TiO2. The pre-pared samples are composed of 10% metal by weight. A schematic illustration of the formation of Pt-Au/CNT@TiO2 is shown in Fig. 1.

For comparison, Pt-Au/CNT was also prepared according to a general chemical method [13–15]. The prepared sample consisted of 10% metal by weight and the multiwalled car-bon nanotubes serve as a support. Sodium borohydride was used to chemically reduce the precursor of H2PtC16·6H2O and HAuCl4·3H2O at 80 °C to obtain the Pt-Au/CNT nanoparticles.

Pt-Au/CNTs@TiO

2

CNTs CNTs@TiO

2

Fig. 1. Schematic illustration of the formation of Pt-Au/CNT@TiO2.

1.2 Characterization of the catalyst

X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on a

RH6000 diffractometer using Cu Kα radiation (λ= 0.154

nm, V = 40 kV, I = 200 mA) and a scanning angle (2θ) from

3o to 90o with scan steps of 0.04°/s. Transmission electron

micrographs (TEM) were obtained using a JEOLJEM-

1200EX microscope operating at an applied voltage of 100

kV and at a magnification of 200×1000 with a spatial reso-

lution of 1 nm. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

was conducted using an ESCALAB 250 spectrometer,

which used Mg Kα radiation (hv = 1253.6 eV) as a photon

source with a pass energy of 20 eV and an operating pres-

sure of 1.8 × 10–10 Pa.

1.3 Activity test of the catalyst

All measurements were conducted in a conventional

three-electrode electrochemical cell. The glassy carbon

electrode with a thin film of the catalyst layer served as the

working electrode (WE) and a Pt plot (0.05 cm2) served as

the counter electrode. The reference electrode was a satu-

rated calomel electrode (SCE). The WE was prepared as

follows: the glassy carbon electrode (with a geometric area

76 催化学报Chin. J. Catal., 2011, 32: 74–79 of 0.05 cm2) was polished using 0.5 mol/L Al2O3 until the

surface became mirror-like. The catalyst (0.01 mg) was

suspended ultrasonically for 0.5 h in a solution mixture of

distilled water (2 μl), isopropanol (2 μl), and 6 wt% nafion

(3 μl). 3 μl of the catalyst ink was then transferred to the

clean surface of the glassy carbon electrode using a micro-

pipette (Pt loading of about 0.005 mg) followed by drying in

an oven at 70 °C for 0.5 h to form a thin film of the catalyst.

Cyclic voltammetry (CV) was carried out using a CHI630A

electrochemical analysis instrument. The CV tests were

plotted within a potential range from 0 to 1.0 V at a scan

rate of 0.02 V/s in a solution mixture of 0.5 mol/L H2SO4

and 1 mol/L CH3OH. Electrochemical impedance spectros-

copy (EIS) was conducted using a Model 283 potentio-

stat/galvanostat.All experiments were carried out at 25 °C.

2 Results and discussion

2.1 XRD results

XRD analysis was used to examine the structural proper-ties of the Pt-Au/CNT and Pt-Au/CNT@TiO2 catalysts, as shown in Fig. 2. The XRD pattern of the Pt-Au/CNT cata-lyst has a peak at a 2θvalue of 24.6° and this can be attrib-uted to multiwalled carbon nanotubes. Diffraction peaks for (111), (200), (220), and (311) at 2θvalues of 38.7°, 44.4°, 65.4°, and 79.7°, respectively, indicate that a single phase Pt-Au alloy is formed [16]. Compared to Pt-Au/CNT, the peak position for Pt-Au/CNT@TiO2 does not change but the peak intensity does decrease. This means that the average particle size of the Pt-Au/CNT@TiO2 catalyst is smaller than that of Pt-Au/CNT. Furthermore, the lack of character-istic peaks for TiO2 suggests that TiO2 may exist in an amorphous phase.

2.2 TEM results

The TEM images obtained for the Pt-Au/CNT and Pt-Au/CNT@TiO2 nanoparticles reflect the effect of TiO2on their particle size and morphology, and these properties are believed to exert a strong influence on their catalytic properties. The TEM micrographs for Pt-Au/CNT and Pt-Au/CNT@TiO2 are shown in Fig. 3. It is clear that the spherical metal particles spread homogeneously on the CNT@TiO2 support in the Pt-Au/CNT@TiO2 catalyst. In the particle size histograms (see Fig. 4), the mean sizes of the Pt-Au/CNT@TiO2 and Pt-Au/CNT nanoparticles are 1.9 and 2.3 nm [17]. These values were estimated from the av-erage of more than 100 particles. The high dispersion of the Pt-Au nanoparticles on the CNT@TiO2 support proves that the deposition-UV-photoreduction process provides advan-tages such as uniformity of Pt-Au particles on CNT@TiO2, which avoids particle aggregation to a certain extent. Therefore, the Pt-Au/CNT@TiO2 catalyst prepared by the deposition-UV-photoreduction synthetic method in this work has economical potential in terms of efficient Pt use as an anode in a DMFC.

2.3 CV results

We recorded cyclic voltammograms using a half cell con-figuration for methanol oxidation over the Pt-Au/CNT and Pt-Au/CNT@TiO2 catalysts (Fig. 5). Both the CV curves 102030405060708090

(311)

(220)

(200)

I

n

t

e

n

s

i

t

y

2θ/( o )

(1)

(2)

(111)

Fig. 2. XRD patterns for Pt-Au/CNT (1) and Pt-Au/CNT@TiO2 (2).

(a)(b)

90 nm90 nm

Fig. 3. TEM images of Pt-Au/CNT (a) and Pt-Au/CNT@TiO2 (b).

https://www.wendangku.net/doc/1a9237561.html, 王秀瑜 等: Pt-Au/CNT@TiO 2 作为甲醇燃料电池的高活性阳极催化剂 77

reveal a similar shape and peak position, which agrees with the results from previous reports [2–6]. There are two irre-versible current peaks observed during the electrooxidation of methanol and these are typically attributed to a forward scan peak (I f ) at around 0.7 V during methanol electrooxi-dation and a backward scan peak (I b ) at around 0.4 V, which is due to a Faradaic oxidation reaction on the catalysts of the residual intermediate species such as CH 2OH, CH 2O, HCOOH, and CO. To benchmark CO-tolerance perform-ance the ratio of current densities in the forward (I f ) and reverse (I b ) scans need to be determined. This ratio can be used to infer the CO tolerance of the catalysts. Therefore, a higher I f /I b value is indicative of improved CO-tolerance. The I f /I b value of Pt-Au/CNT@TiO 2 was much higher than that of Pt-Au/CNT. 2.4 EIS results

EIS is an important method to characterize the perform-ance of fuel cells. In this paper, to further investigate the mechanism of methanol oxidation, EIS was carried out on Pt-Au/CNT and Pt-Au/CNT@TiO 2 electrodes at a potential

of 0.65 V (Fig. 6). It is obvious that the EIS shape of both electrodes is similar. However, the size of the semicircle on the Pt-Au/CNT@TiO 2 electrode is smaller than that of the Pt-Au/CNT electrode. This means that the negative resis-tance at the Pt-Au/CNT@TiO 2 electrode is smaller than that of Pt-Au/CNT. This implies that the Pt-Au/CNT@TiO 2 electrode provides faster reaction kinetics for methanol oxidation, which can be explained by the formation of less CO on the surface of the metal catalyst. Therefore, the ad-sorption of methanol on the Pt sites is promoted because of a decrease in CO coverage on the Pt sites and the elec-trooxidation rate increases accordingly. The CV and EIS results for the Pt-Au/CNT@TiO 2 catalyst reveal that it is more tolerant to poisoning species such as CO on Pt. The improved CO-tolerance of Pt-Au/CNT@TiO 2 compared to that of Pt-Au/CNT can be attributed to the high dispersion of Pt-Au nanoparticles on the CNT@TiO 2 support and their smaller average particle size. Another possible factor that enables high mass activity might be the difference in elec-tronic structure between Pt-Au/CNT@TiO 2 and Pt-Au/CNT, which naturally draws attention to the metal oxidation states on their surfaces.

12340

102030405060F r e q u e n c y (%)

Particle size (nm)

(a)1

23

4

(b)

Particle size (nm)

Fig. 4. Size distribution of the nanoparticles in the Pt-Au/CNT (a) and the Pt-Au/CNT@TiO 2 (b) electrocatalysts.

0.0

0.2

0.40.60.8

1.0

0.00.51.01.52.0C u r r e n t (m A )

Potential (V)

(2)

(1)

Fig. 5. CV tests of the Pt-Au/CNT (1) and Pt-Au/CNT@TiO 2(2) electrodes in a solution of 0.5 mol/L H 2SO 4 and 1 mol/L CH 3OH.

25

30

35

4045

50

55

60

02468

1012?Z ''/Ω

Z '/Ω

(1)(2)

Fig. 6. EIS analysis of methanol oxidation using the Pt-Au/CNT (1)and Pt-Au/CNT@TiO 2 (2) electrodes at a potential of 0.65 V.

78 催 化 学 报 Chin . J . Catal ., 2011, 32: 74–79

2.5 XPS results

XPS is a powerful surface probe technique used to de-termine the surface properties of catalysts. To understand the interaction between the Pt-Au alloy and TiO 2 in Pt-Au/CNT@TiO 2 two spectra of Pt 4f and Au 4f from the Pt-Au/CNT@TiO 2 and Pt-Au/CNT catalysts were compared and are shown in Fig. 7. In this study, Gaussian functions were not applied to the peaks because more than 20 pa-rameters are required to fit the spectrum. Therefore, it is difficult to obtain consistent results for the same spectrum. To solve this problem the regional spectra for Pt 4f , Au 4f , and Ti 2p in this paper are not deconvoluted.

In the Pt 4f spectrum of Pt-Au/CNT@TiO 2, the strong doublet at 71.5 eV (Pt 4f 7/2) and 75.0 eV (Pt 4f 5/2) is charac-

teristics of metallic Pt [11] and the doublet at 84.0 eV and

88.0 eV can be assigned to metallic Au [18]. Although they have the same peak intensity the peak positions of Pt 4f and Au 4f in Pt-Au/CNT@TiO 2 move in the positive direction slightly more than that of Pt 4f and Au 4f in Pt-Au/CNT, which means that the electron density on the metallic Pt-Au increases. The strong interaction between the Pt-Au alloy and TiO 2 leads to an increase in the electron density on the metals, which transfers electrons to the πCO * orbital of CO and weakens C–O binding and then the oxidation overpo-tential becomes lower [11].

Figure 7(c) shows that the Ti 2p peaks are located at 464.6 eV (Ti 2p 1/2) and 458.8 eV (Ti 2p 3/2) for Pt-Au/ CNT@TiO 2 [19]. Compared with the Ti 2p peaks in CNT@TiO 2, a lower binding-energy shift is obvious. This indicates that TiO 2 interacts with the Pt-Au alloy and that the Ti ions valence becomes more negative after the photoreduction reaction. The role of the high-valence Ti ions is to dissociate water to form OH ad (ad: adsorbed) spe-cies, which then reacts with the strongly bound CO ad on the Pt surface to form CO 2 according to a bifunctional mecha-nism [11].

3 Conclusions

Pt-Au/CNT@TiO 2 and Pt-Au/CNT catalysts were inves-tigated systematically for the electrooxidation of methanol. The influence of surface structure and electric properties was studied in detail by various analytical techniques. The enhanced CO-tolerance performance of the Pt-Au/ CNT@TiO 2 electrocatalyst was compared with that of Pt-Au/CNT and the difference could be explained by a combination of the electron effect and a bifunctional mechanism. The enhanced CO-tolerance performance of the Pt-Au/CNT@TiO 2 electrocatalyst is very promising for the research and development of effective DMFC catalysts. Further investigation into the stability of the Pt-Au/ CNT@TiO 2 catalyst will be carried out in future.

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70

72

747678808284

86

88

838485

86878889909192

456458

460462464466468

I n t e n s i t y

Pt 4f

(2)(1)

Binding energy (eV) Binding energy (eV)

Au 4f

(1)

(2)

Binding energy (eV)

I n t e n s i t y

I n t e n s i t y

Ti 2p

(1)

(2)

Fig. 7. XPS spectra of Pt 4f , Au 4f , and Ti 2p in the Pt-Au/CNT (1)and Pt-Au/CNT@TiO 2 (2) catalysts.

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微型直接甲醇燃料电池概述

微型直接甲醇燃料电池概述 课题背景 在社会高速发展的今天，能源和人类社会的生存发展休戚相关，是经济发展进步的动力源泉，也是衡量一个国家的综合国力、科学发达程度以及人民生活水平的重要指标[1-2]。当前全球消耗的能源，主要以非可再生能源——煤、石油、天然气等为主，而各国的工业化的急速发展使得这些非可再生能源消耗的每况愈下，人类对这些能源的依附却有增无减[3-4]。与此同时，这些能源的消耗过程中排放物给生态环境带来了很大的负面影响，使环境污染问题成为日前全球性的问题[5],对人类生存环境的威胁日趋严重，更关系到未来人类社会的可持续发展与生存[6-8]。故亟需找到一种理想的能源资源或动力装置，来代替现有的能源资源[9]。“氢”能清洁、高效、可持续，是能源系统的重中之重[10]，而甲醇燃料电池是“氢”能技术的最佳代表之一，其研究开发受到世界各国的青睐，被认为是本世纪首选的清洁的、高效的发电装置[11-13]。尤其是微型甲醇燃料电池，它低污染、质量轻、体积小、容易操作、比能量密度高，更是成为了便携式电子装置的理想动力装置之一[14-15]。近些年MEMS技术的迅猛发展为微型甲醇燃料电池的制造及应用提供了新的实现方法。基于MEMS技术制造的微型甲醇燃料电池主要具有以下优势： （1）燃料电池结构可以简化[16]，体积和重量减小； （2）可制作复杂的微流场结构[17]，控制燃料流动，提高电池性能； （3）易批量生产，并成本降低； （4）安全性、可靠性更高[18]，更换燃料方便简易。 （5）可将微型燃料电池和传感器、电子器件等集成在芯片上，节省系统体积，使燃料电池的系统结构更简单[19-21]。 因此, 微型直接甲醇燃料电池的研发和生产，必成为电化学和能源科学研究与发展的一个备受关注热点和主要方向[22]。目前小型DMFC的研发的重点主要集中在燃料来源和降低成本，要想使μDMFC尽快实现商业化还需要大量细致的研究工作，如MEA新的制备工艺及结构优化技术，高效抗CO中毒的阳极催化剂、高质子电导率的阻醇质子交换膜的研制，DMFC电池组的封装及系统集成等。现在，DMFC单电池及电池组的样机已经问世，对于样机在实际应用中的工作状态、寿命及有效降低成本等方面已经成为微型DMFC研究中的新热点。微型DMFC的应用如图1-1所示。 图1-1 微型DMFC的应用 微型直接甲醇燃料电池概述 1.2.1国内外研究现状 近年来，世界各国对微型甲醇燃料电池的研发，都投入了大量的经费，很大程度上推动了微型直接甲醇燃料电池的发展。 Kah-YoungSong [23]等提出在阴极扩散层基底上引入微孔层，降低阴极扩散层基底的憎水

甲醇燃料电池

甲醇燃料电池 22．据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32－ （1）该电池反应的总离子方程式为___________________________________。（2）甲醇在____极发生反应（填正或负），电池在放电过程中溶液的pH将____（填降低或上升、不变）；若有16克甲醇蒸气被完全氧化,则转移的电子物质的量为________。 22．（1）2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O （2）负下降8mol 28．据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO2被充分吸收生成CO32－ （1）该电池反应的总离子方程式为______________________________________。（2）甲醇在____极发生反应（填正或负），电池在放电过程中溶液的pH将____（填降低或上升、不变）；若有16克甲醇蒸气被完全氧化，产生的电能电解足量的CuSO4溶液，（假设整个过程中能量利用率为80％），则将产生标准状况下的O2________升。 28．（1）2CH3OH+3O2+4OH－＝2CO32－+6H2O （2）负下降13.44 6．（广东省惠州市2006届高三第一次调研考试·9）2004年美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，它用磺酸类质子溶剂，在200o C左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更安全。电池总反应为： C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O，电池示意如图，下列说法不正确 ．．．的是（）。 A．a极为电池的负极 B．电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极 C．电池正极的电极反应为：4H+ +O2+4e－=2H2O D．电池工作时，1mol乙醇被氧化时就有6mol电子转移 解析：根据反应C2H5OH+3O2==2CO2+3H2O，得到C2H5OH被氧化，所以a极为电池的负极；O2被还原，所以b极为电池的正极。电流由b极（正极）沿导线经灯

直接甲醇燃料电池实验报告

研究生专业实验报告 实验项目名称：被动式直接甲醇燃料电池学号： 姓名：张薇 指导教师：陈蓉 动力工程学院

被动式直接甲醇燃料电池 一、实验目的 1、了解和掌握被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本工作原理； 2、了解和掌握对燃料电池进行性能测试的基本方法； 3、了解和掌握燃料电池性能评价方法； 4、观察和认识影响燃料电池性能的主要因素。 二、实验意义 燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置，具有环境友好、效率高、工作安静可靠等显着优点，被誉为继核能之后新一代的能源装置。在众多燃料电池种类中，空气自呼吸式直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，成为便携式设备最有前景的可替代电源，是电化学和能源科学领域的研究热点。本实验旨在对被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池进行实验研究，使同学们了解和掌握燃料电池测试的基本方法，加深对燃料电池基本工作原理的认识和理解。 三、实验原理 燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的能源转化装置。一个典型的直 接甲醇燃料电池的示意图如图1所示。 图1: 直接甲醇燃料电池的典型结构 从图1中可以看出，典型的直接甲醇燃料电池包括阳极扩散层、阴极扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、质子交换膜、集流体等部件。在被动式空气自呼吸直接甲醇燃料电池中，电池阳极发生的是甲醇的氧化反应： CH 3OH+H 2 O→CO 2 +6H++6e-，E0=0.046 V （1） 电池阴极发生的是氧气的还原反应： 3/2O 2+6H++6e-→3H 2 O，E0=1.229 V （2） 总反应式为： CH 3OH+3/2O 2 →CO 2 +2H 2 O，△ E=1.183 V （3） 在被动式直接甲醇燃料电池阳极，甲醇水溶液扩散通过阳极扩散层到达阳极催化层，甲醇在阳极催化层被氧化，生成二氧化碳、氢离子和电子，如式（1）所示。氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极；在阴极侧，氧气通过暴露在空气中的阴极扩散层传输至阴极催化层，在电催化剂的作用下，氧气与从阳极迁移过来的质子以及从外电路到达的电子发生还原反应生成水，如式（2）所示。理论上直接甲醇燃料电池的开路电压能达到1.183 V，但实际上DMFC 的开路电压一般只有0.7 V左右，其主要原因是部分燃料（甲醇）在浓度差的作

直接甲醇燃料电池资料

直接甲醇燃料电池研究进展 摘要: 介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理、研究现状及最新进展, 认为直接甲醇燃料电池是目前较理想的燃料电池, 有广阔的发展前景。直接甲醇燃料电池(DMFC) 具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、结构简单、能量效率高等优点,以固体聚合物作为电解质的直接甲醇燃料电池是理想的车用动力电源,具有广阔的发展前景。 关键词:直接甲醇燃料电池;甲醇;渗透;膜;电催化剂 Performance study on direct methanol fuel cell Abstract: Working principle, current research situation and latest progress of direct methanol fuel cell are introduced .Fuel cell of this kind is regarded as a perfect one so far, with bright prospects to be expected. Direct methanol fuel cells (DMFC) had several advantages including ease transportation and storage of the fuel, reduced system weight, size and complexity, high energy efficiency. Polymer electrolyte membrane direct methanol fuel cells (PEMDMFC) were ideal power source for vehicles with bright prospects to be expected. . Key words: DMFC; methanol; crossover; membrane; electrocatalyst 0引言 由于汽车尾气污染越来越严重, 从而引起世界各国的关注。汽车尾气污染的根源在于汽车发动机使用的汽油。甲醇是一种易燃液体, 燃烧性良好, 辛烷值高,抗爆性能好。甲醇又是一种洁净燃料, 燃烧时无烟,燃烧速率快, 排气污染少。不管燃烧汽油还是燃烧甲醇作汽车的动力都需要使用内燃机, 因此其噪音污染及燃料燃烧不完全引起的排放物污染是不可避免的。使用电动汽车是解决汽车尾气污染的根本办法, 同时还可以减少内燃机造成的噪音污染。燃料电池有内燃机使用燃料重量轻, 补充燃料方便等优点, 无需充电, 它的最大优点在于可把燃料的化学能直接转变成电能, 其效率不受卡诺循环限制。直接甲醇燃料电池( Direct Methanol Fuel Cell,简称为DMFC) 无需将甲醇转变成氢源, 利用甲醇

微型燃料电池简介剖析

课程论文 学 院 化 学 化 工 学 院 专 业 应 用 化 学 年 级 2013 级 姓 名 张 忆 恒 课 程 化学电源 论文题目 微型燃料电池简介 指导教师 卢 先 春 成 绩 2016年5月20 日

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords: (1) 引言 (1) 1 微型H2-O2（空气）燃料电池 (2) 2 微型直接甲醇燃料电池 (3) 2.1 μDMFC结构和工作原理 (4) 3 微型甲酸燃料电池 (6) 4 微型固体氧化物燃料电池 (6) 5 结论 (7)

信阳师范学院化学化工学院课程论文 微型燃料电池的研究进展 学生姓名：张忆恒学号：20135052012 化学化工学院2013级应用化学 课程名称化学电源 摘要：燃料电池因其清洁无污染，比功率密度高，无需充电，补给燃料快速方便等优点越来越受重视。且微型燃料电池因其尺寸微小倍受青睐。本文讨论了分别以纯氢、甲醇和甲酸为燃料的微型燃料电池和微型固体氧化物燃料电池；对微型直接甲醇燃料电池的结构和原理做了简单的介绍。 关键词：微型燃料电池;氢;甲醇;甲酸 Research progress in micro-fuel cells Abstract: Many pay more and more attentions to the fuel cells because of its clean and non-polluting, high specific power density, without charge, fast and easy refueling.Meanwhile micro-fuel cells is acclaimed for its small size.The micro-fuel cells using hydrogen from pure hydrogen, methanol and formic acid as fuels and micro solid oxide fuel cell were discussed. The materials used in micro-fuel cells for the portable electronics were outlined. The preparation technologies of micro-fuel cell such as micro lectomechanical system technology were analyzed.Meanwhile it made a brief introduction of the structure and principles of Micro Direct Methanol Fuel Cell(MDFC). Keywords:micro-fuel cell; hydrogen; methanol; formic acid 引言 近年来，随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展，对微型能源提出了越来越高的要求。燃料电池是不经过燃料的燃烧而将化学能直接转换为电能的一种能量转换装置。微型燃料电池作为一种新型的便携能源，具有高效、高能量密度、体积小、成本低、环境好等优点。因此近年来，用于便携式电子设备的微型燃料电池的研究引起了人们极大兴趣。

20190327国内外甲醇燃料电池汽车发展历程 (下)

国际甲醇燃料电池汽车发展史（下篇） 上文说到，甲醇重整制氢在海外经历了长达10年（2006-2016年）的低潮期，仅仅在备用电源领域有所应用。国内从2010年起，开始有企业对此关注，做相应的研究，但没有企业有念头和实力，将甲醇重整燃料电池系统集成到汽车上。 直到2014年，深圳开始出现2012年大运会期间投入的纯电动大巴车续航里程衰减严重的现象，迫切需要解决方案，有人开始考虑用燃料电池给锂电池随车充电——增程式。 2015年，Mirai横空出世，7万美元的售价，113kW的电堆，一下子打开了中国氢燃料电池工作者的思路：燃料电池可以做到很便宜。性能上不需要一步到位到100kW以上，可以从30kW开始。 在这个技术路线的指导下，基于甲醇重整燃料电池发电系统开始登上历史舞台，并开始在中国得到深入研究。 甲醇重整制氢+氢燃料电池系统作为“发电机”系统，主要有三种技术路线： A.第一类技术是甲醇重整+高温燃料电池，这类技术是现阶段发展最快的技术路径，已在电动车和特殊领域得到了众多成功应用。 高温燃料电池是指工作温度在160℃以上的质子交换膜技术。相比于常温/低温的系统85℃左右工作温度，高温燃料电池的160℃工作温度可以保证氢气在电堆内反应后的产物都是水蒸气，而不存在液态水的可能。这样可以避免淹堆、反极等低温燃料电池电堆会碰到的问题。从硬件配置上来讲，可以规避氢气循环泵、增湿器等，对于空压机的要求也会低很多，可以大大简化系统的设计。 图1：典型的甲醇重整高温燃料电池系统图 这类高温燃料电池兼顾了PAFC磷酸燃料电池和PEM质子交换膜燃料电池的优点，采用了PEM燃料电池的结构，通过使用PBI（聚苯并咪唑）膜和H3PO4磷酸传导质子，虽然功率密度比基于Nafion（全氟磺酸膜）的低温质子交换膜小，但是系统效率高。最重要的是，高温堆能耐受2%的CO，不会形成铂催化剂中毒。 这套系统中，甲醇和水的混合液重整制氢的过程是一个吸热的过程，相比之下，还有其他的重整技术，可以实现甲醇自热重整反应：导入一定量的氧气参与氧化，这样重整器当中

硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究

硅基微型直接甲醇燃料电池结构的研究 文章对于直接甲醇燃料电池（？滋DMFC）的双极板结构进行了设计并制作、测试。设计了两种电极板的结构：点型极板和蛇型极板流场结构，并且应用ANSYS进行了模拟。采用微机械加工技术在硅基上制作了不同的流场结构的微型直接甲醇燃料电池并且进行了测试。结果发现采用点型流场结构作为DMFC 的阴阳两极极板比蛇型流场结构能够有效提高甲醇传输性能，表现出较好的电池性能。通过测试发现点型和蛇型各自的最高电流密度可达13mA/cm-2和3.9mA/cm-2，而功率密度点型的要比蛇型的高一个数量级。 關键词：硅；微机械加工；ANSYS；？滋DMFC 前言 一直以来，不同种类燃料和结构的各种类型的燃料电池持续得到关注，其中微型直接甲醇燃料电池表现出来比较突出的特性，比如能量转化效率高、环境友好、可在室温下工作、结构简单以及较高的电流密度和功率密度[1]。它既可作为固定电站为边远地区的居民、哨所供电以及城市重要场所的备用电源，又可以作为移动电源应用于电动汽车、摩托车和自行车，还可以用于许多对电池性能要求很高的场合，如移动电话、航天器、军用通讯、导航系统等[2]。 极板结构是影响？滋DMFC性能至关重要的内容，它不仅为电池结构提供支撑，提供氧气与甲醇反应的场所，而且还要收集反应生成的电子，同时也要求产生的H2O和CO2能很快离开电池，从而始终保持流场畅通，不存在死区，所以合理的极板结构对？滋DMFC性能的影响是非常关键的[3，4]。MEMS加工技术对于硅基材料的极板制备提供了良好的制作方法，完全可以实现对于不同结构的极板结构的制备[5，6]。 1 结构设计与仿真 阴阳极板的流场结构对于微型直接甲醇燃料电池的性能影响是很重要的。流场包括沟道和支撑部分，流场用于物质的输运与传输，提供电化学反应的燃料；支撑部分为反应的质子交换膜MEA提供支撑。流场的设计需要综合考虑沟道燃料传输的特性确保提供足够反应燃料和MEA膜的支撑部分宽度。基于以上因素，文章设计了点型和蛇型两种流场结构，如图1所示。采用ANSYS模拟了两种流场结构的速度和压力分布，由结论可知，蛇型流场结构的极板上速度分布比点型流场的更均匀，但是点型流场的流速比蛇型的慢。点型流场的进出口压力差比蛇型流场的要小，所以点型的燃料运动速度比蛇型的速度要慢一些，这样甲醇燃料可以在极板沟道实现更有效的反应。也就是说极板结构的仿真结果点型优于蛇型。 2 极板制备

直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化_魏永生

文章编号:1673-0291(2010)06-0090-05 直接甲醇燃料电池的单电池实验测试及性能优化 魏永生1,朱 红2,郭玉宝1,郭志军1,张新卫1 (1.北京交通大学理学院,北京100044;2.北京化工大学理学院,北京100029) 摘 要:以新型阻醇材料Na 2Ti 3O 7/Nafion 复合膜为质子交换膜,利用热压法制备膜电极(M EA),对直接甲醇单电池进行测试.考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个 参数对直接甲醇燃料电池极化曲线性能的影响.实验结果表明,电池温度对电池性能的影响较为明显,提高电池温度有利于得到较好的电池性能.甲醇浓度对电池性能影响也比较明显,较低甲醇浓度有利于提高电池性能.甲醇流速和空气流速对电池性能的影响较小,阴极加湿温度对电池性能几乎没有影响.通过分析优化,该直接甲醇燃料电池的电池性能最佳工作条件是在80 情况下,低电流密度工作区采用较低浓度甲醇溶液,高电流密度工作区采用高浓度甲醇溶液.关键词:直接甲醇燃料电池;质子交换膜;Na 2Ti 3O 7/Nafion;极化曲线中图分类号:TK91 文献标志码:A Experimental Test and Performance Optimization of Single Cell in Direct Methanol Fuel Cell WEI Yongsheng 1 ,ZH U H ong 2 ,G UO Yubao 1 ,G UO Zhijun 1 ,ZH AN G X inw ei 1 (1.School of Science,Beijing Jiaotong U niversity,Beijing 100044,China; 2.School of Science,Beijing U niversity of Chemical T echno logy,Beijing 100029,China) Abstract :With new com posite membrane materials of Na 2Ti 3O 7/Nafion for proton ex chang e mem -brane,Membrane Electrode Assembly (MEA)was prepared using hot -pressing method,and had been tested in single direct methanol fuel cell.Operation parameters of cell temperature,cathode humidify -ing temperature,methanol concentration,methanol flow rate and air flow rate have been em ployed to study on the effect of direct methanol fuel cells polarization curve.Experimental results show that the effect of cell tem perature on the cell performance is obvious,so increase cell temperature is helpful to g et better cell performance.Effect of methanol concentrations on cell performance is also obvious.The low er methanol concentration is favorable to improve cell properties.The effect of m ethanol flow rate and air flow rate to the cell performance is lesser.Effect of cathode humidification temperature on cell performance almost has no effect.T hrough the analysis and optimization,the better operation cond-i tions of direct methanol fuel cells is in cell temperature of 80 ,and the low concentration of methanol w hen the cell w orks in low current density,or high concentrations of methanol w hen the cell works in high current density. Key words:direct methanol fuel cell;proton ex change membrane;Na 2T i 3O 7/Nafion;polarization curve 收稿日期:2010-12-01 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(20636060);国家自然科学基金资助项目(50674006,20876013);国际合作项目(2006DFA61240,2009DFA63120) 作者简介:魏永生(1984 ),男,江苏徐州人,博士生.email:06118340@https://www.wendangku.net/doc/1a9237561.html,. 朱红(1957 ),女,安徽合肥人,教授,博士,博士生导师. 第34卷第6期 2010年12月 北 京 交 通 大 学 学 报 JOU RN AL O F BEIJIN G JIAOT O NG U N IV ERSI T Y V ol.34N o.6Dec.2010

直接甲醇燃料电池技术分析与展望

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/1a9237561.html, 直接甲醇燃料电池技术分析与展望 作者：穆昕 来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第02期 摘要：直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell ，DMFC）是直接以甲醇作为阳极燃料的质子交换膜燃料电池。本文介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理，重点分析了目前DMFC 技术的核心问题，并指出了相应的解决方案，展望了发展前景。 关键词：甲醇；燃料；电池技术 直接甲醇燃料电池（DMFC）由于使用液体甲醇作燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。 1 工作原理 甲醇水溶液被输送到阳极，发生电催化氧化反应，生成CO2，同时释放出电子和质子，电子经过外电路到达阴极，而质子则通过电解质传导至阴极，和电子及氧气发生反应，生成水。 2 DMFC技术分析 目前，在DMFC技术中，甲醇氧化动力学慢过程和甲醇渗透是制约其发展的主要问题，很多研究围绕着如何解决着两个问题展开。 2.1 甲醇氧化动力学慢过程 在DMFC 中，甲醇的阳极氧化涉及六个电子的传递过程，比氢气的氧化更为困难。很多学者就其氧化机理做了研究，并且致力于开发高效的阳极电催化剂。 2.1.1 阳极电催化剂 最常用的是Pt或Pt合金催化剂。在基础研究方面，Wieckowski等研究发现，Pt （1 1 1）晶面抗中毒能力最强；通常添加Ru做为助剂，Dinh等提出，低电位下Ru+H2O→RuOH，RuOH的存在有助于CO的脱除；Ru含量在50%时，活性最好；J.W.Long等认为，Ru以RuOxHy形式存在时，催化活性高，因此制备时应尽量扩大纳米级Pt与RuOxHy的接触界 面。另外，活性与分散度有关，Watanabe等发现，当催化剂的粒径大于20?时，活性不再提高；Kaurenan等发现，金属相在炭黑（acetylene black）分散度低，在炭黑（Vulcan XC-72）分散度高，因为上面有大量微孔结构。因此在制备过程中，都要尽量提高活性组分的分散度，分散度越高，活性越好。

直接甲醇微型燃料电池的高聚物封装方法与设计

直接甲醇微型燃料电池的高聚物封装方法与设计 1.微型燃料电池封装研究的现状和进展 微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol fuel cell ）具有能量密度高、使用方便、清洁环保等优点，非常适用于各类便携式电子产品（手机、笔记本电脑、Mp3、单兵作战电源等）及微机电系统（Micro Electronic Mechanical System,MEMS ）等领域，基于微型燃料电池应用的广阔前景，世界各地的研究机构对此产生了极大兴趣，希望能开发出更轻、更小、能量密度更大、性能更优异的微型燃料电池。当前，微型燃料电池从原理论证到实验验证再到实现商业化的发展过程中仍然面临着大量的技术困难，其中一个非常重要的瓶颈问题是燃料电池的封装工艺的方法、设计和优化等[1]。 图1燃料电池的广泛应用 1.1燃料电池的封装结构 微型燃料电池的组成通常是将质子交换膜MEA 置于两块流场板之间，然后在两端用刚度较大的端板将中间部分结构夹紧，最后用高聚物封装将整个结构起来。图2中电池的四周用高聚物封装填充。 图2微型燃料电池的外形 微小型直接甲醇燃料电池

图3微型燃料电池的结构图 1.2燃料电池的封装工艺现状 可靠的封装是微型燃料电池发挥其正常效能的前提条件，在微型燃料电池中有着举足轻重的作用，研究表明目前封装费用仍占微型燃料电池总成本的60%～70%，且封装技术发展的相对滞后已被公认为微型燃料电池实现产业化的主要瓶颈之一[2]。作为一类特殊的微型燃料电池，微型燃料电池封装结构需为整个电池提供稳定的机械支撑、电气互连和物料进出通道，以便维持微型燃料电池各活性区域工作状态的均衡及稳定，提高燃料电池的整体输出性能，延长其工作寿命。由于受结构、尺寸和工艺条件的限制，传统机械连接方法（如螺栓连接、铆接、夹具固定等）已很难适用于MEMS微型燃料电池的封装中，借鉴现有微器件封装方法实现对MEMS燃料电池的封装成为必然选择[1]。 目前针对微型燃料电池的封装方法主要是高聚物封装和热压键合两类。本文主要讨论高聚物的封装方法。 高聚物封装是在借鉴微电子及MEMS 器件塑封工艺的基础上发展起来的，是目前MEMS 燃料电池封装技术的主要发展方向之一。该方法主要利用高聚物的可模塑、可粘接特性实现对MEMS燃料电池的封装。MEMS燃料电池中常用的封装高聚物有聚二甲基硅氧烷( Polydimethyl siloxane, PDMS)和环氧树脂两类。近年来在这一领域的代表性工作有：2002年5月，加拿大Stanley等[3]首次报道使用常温固化环氧树脂，在1.5Mpa的正压力下实现MEMS直接甲醇燃料电池的密封和进出口微管连接，其MEMS-μDMFC输出功率密度峰值达到了1.5mWcm-2；2003年9月，德国Albert-Ludwig大学的Muller等[4]报道了一种外形尺寸只有1.4×1.4×0.5mm氢氧型MEMS质子交换膜燃料电池。该电池使用极薄的金属箔作为集流板，MEA和集流板之间的封装采用了银粉填充的环氧型导电胶，在工作电压0.4V时，输出功率密度达到了2mWcm-2；2004年8月， 美国路易斯安娜大学微制造研究所Shah等[5]采用PDMS实现了MEMS氢氧燃

直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用

新能源汽车A 版 收稿日期:2010-07-27 直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用 王瑞敏 (上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)张颖颖 (山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛 266001) 摘要 针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行调查。分析了各国政府和企业致力于DM FC 的开发与应用研究。 Abstract For the i n vesti g ati o n of direct m ethano l fue l ce ll (D M FC )deve l o pm ent cond ition,th is paper presen ted the situati o n of deve l o p m ent and applicati o n on research DMFCS what governm ents and enterprises dedicated to . 主题词 燃料电池 汽车 发展 甲醇 燃料电池是一种将化学能连续不断地转化为电能的可再生清洁能源。自20世纪60年代初问世以来,就迅速发展成为国际高新技术竞争中的热点之一。我国政府对燃料电池的研发高度重视,将其列为国家科技中长期发展规划中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术。本文针对直接甲醇燃料电池(D M FC )的发展状态进行了调查和分析。分别从D M FC 的关键技术发展状态、主要生产商发展状态、在便携式电源中的应用、DMFC 在汽车领域的应用等几个方面进行了分析。 1 D M FC 的工作原理及关键技术发 展状况 目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PE MFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC )、磷酸盐型燃料电池(PAFC )、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC )等。其中,PE MFC 因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能 直接转换成电能,具有能量转换效率高(一般都在40%~50%,而内燃机仅为18%~24%)、无污染、启动快、电池寿命长、比功率及比能量高等优点,成为应用最广的一类燃料电池,尤其是在汽车用燃料方面,PE MFC 的应用接近该市场的100%。各种燃料电池应用情况如图1 所示。 图1 各种燃料电池的应用情况 1.1 D M FC 的工作原理 在阳极区,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后,通过阳极扩散层扩散并进入阳极催化层中(即阳极电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反应,生成质子、电子和CO 2。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极,电子通过外电

DMFC 直接甲醇燃料电池简介

直接甲醇燃料电池 1.1 DMFC 的工作原理 直接甲醇燃料电池（DMFC）是以质子交换膜为电解质、液态甲醇为燃料的一种新型燃料电池。如图1.1 所示，它主要由阳极、阴极和电解质膜三部分组成。DMFC 工作时，甲醇和水的混合物经扩散层扩散进入催化层，在阳极催化剂的作用下直接发生电化学氧化反应生成 CO2、6 个电子和 6 个质子。 质子经质子交换膜由阳极迁移到阴极区，而电子经外电路做功后到达阴极区。氧气（或空气）经扩散层扩散进入催化层并在阴极催化剂的作用下与流入阴极区的电子和质子发生电化学反应生成水。电池的总反应方程式如式1-1 所示，电子在迁移过程中经外电路做功形成回路产生了电流，实现了化学能到电能的转化。 (1)、酸性条件下电极反应与电池总反应方程式为： 阳极： CH3OH + H2O → CO2+ 6H+ + 6e- E10 = 0.046 V 阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e-→3H2O E20 = 1.23 V 总反应：CH3OH + 3/2 O2→CO2 + 2H2O E = E20 - E10 =1.18 V (1.1) 从总反应方程式可以看出，DMFC 中甲醇的化学能转化为电能的电化学反应结果与甲醇燃烧生成二氧化碳和水的反应相同。

由于阳极甲醇氧化反应的可逆电势较氢标准电势高，因此，DMFC 的标准电势较氢氧燃料电池更低。理论计算结果表明：DMFC的 E0=1.183 V，能量转化率为 96.68 %，但电池的实际工作电

压远小于此值。当阳极电势≥0.046 V（可逆氧化电势）时，甲醇将自发进行反应；相同地，当阴极≤1.23 V（可逆还原电势）时，氧也可以自发地发生还原反应。因此，阳极电势比0.046 V 高的多而阴极电势比1.23 V 低得越多时，电极反应速度就越快，而此偏离热力学电势的极化现象使得 DMFC 的实际工作电压比标准电势 E0低。 (2)、碱性条件下电极反应与电池总反应方程式为： 阳极： CH3OH + 6OH-→ CO2+ 5H2O + 6e- 阴极： 3/2 O2 + 6H2O + 6e- → 6OH- 总反应：CH3OH + 3/2 O2→CO2 + 2H2O DMFC 的期望工作温度为120 ℃以下。 1.2 DMFC 的主要技术问题 (1) 阳极催化剂问题。目前，DMFC 最常用的阳极催化剂为Pt 基催化剂。但Pt 催化剂对甲醇的电催化氧化活性不高，而且易被甲醇氧化生成的中间产物CO 毒化，致使Pt催化剂的电催化性能降低。因此，研制高效、抗毒化的阳极催化剂是DMFC 实现商业化的首要任务。

直接甲醇燃料电池项目投资分析报告

直接甲醇燃料电池项目投资分析报告 规划设计 / 投资分析

摘要说明— 直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。这使得直接甲醇燃料电池(DMFC)可能成为未来便携式电子产品应用的主流。这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见绌。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。 该直接甲醇燃料电池项目计划总投资6033.09万元，其中：固定资产投资4339.41万元，占项目总投资的71.93%；流动资金1693.68万元，占项目总投资的28.07%。 达产年营业收入14301.00万元，总成本费用11243.85万元，税金及附加117.44万元，利润总额3057.15万元，利税总额3596.27万元，税后净利润2292.86万元，达产年纳税总额1303.41万元；达产年投资利润率

50.67%，投资利税率59.61%，投资回报率38.00%，全部投资回收期4.13年，提供就业职位217个。 坚持“三同时”原则，项目承办单位承办的项目，认真贯彻执行国家建设项目有关消防、安全、卫生、劳动保护和环境保护管理规定、规范，积极做到：同时设计、同时施工、同时投入运行，确保各种有害物达标排放，尽量减少环境污染，提高综合利用水平。 项目概述、背景及必要性研究分析、市场分析、调研、项目建设内容分析、项目建设地分析、土建工程、工艺可行性分析、项目环境影响情况说明、企业安全保护、建设风险评估分析、项目节能概况、实施进度、项目投资情况、项目经济评价、总结评价等。

甲醇燃料电池的制备以及应用

甲醇燃料电池的制备以及应用 学号：080319姓名：陈强 新疆工业高等专科学校,乌鲁木齐830091 摘要:采用固体电解质膜的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,简写DMFC)由于结构简单、无液体电解质、比能量高等优点,近年来成为国际上的研究热点。论述了DMFC的原理和各研究机构目前取得的最新进展。目前存在的两个主要的问题是:甲醇从阳极向阴极的渗透和阳极催化剂活性较低。使用新型的非氟质子交换膜及复合膜有望最终解决甲醇渗透的问题。阳极催化剂的研究已经向铂基多组元件系扩展。直接甲醇燃料电池在手机电源等微型移动电源和千瓦级的工业用可移动电源及电动车方面有一定的应用前景。 关键词:直接甲醇燃料电池，质子交换膜 1引言 直接甲醇燃料电池(DMFC)是将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转化为电能的一种发电装置。DMFC研究始于20世纪60年代,Shell,Exxon以及Hitachi等公司在该领域做了大量工作[1].20世纪90年代初,由于全氟磺酸膜(Nafion)的成功应用,电极性能大幅度提高,DM2FC的研究与开发引起了许多发达国家的关注。美国喷气推进实验室(JPL)、LosAlamos国家实验室(LANL)、西部保留地大学(CWRU)等单位在电催化剂、电解质膜和膜电极(MEA)、电池系统等方面的研究取得了可喜成就。2001年5月,美国陆军研究室(ARL)组织了由2个单位参加的技术合作联盟,重点开发单兵作战武器电源的DMFC.2002年8月,MTIMircoFuelCells公司展示了空气自呼吸(air-breathing)式用于PDA、手机电源的DMFC样机。2003年2月,美国总统布什试用该样机进行了长时间通话。在DMFC 作为笔记本电脑电源的研制方面,日本NEC公司于2003年9月披露了总重约900g、燃料容量为300ml 的样机,连续工作5小时,最大输出功率达24W,输出电压为12V,声称电池的性能为全球最高,产品期望在2004年商业化。此外,2003年8月,德国SmartFuelCell(SFC)公司推出了世界上第一个面向终端用户的DMFC独立系统SFCA25,使用2.5L甲醇燃料可在全功率下工作70—80小时。此外,许多国际著名公司加了DMFC研发的行列。日本的Hitachi,Toshiba,Sony,韩国的Samsung等等,这无疑将大大加速DMFC的商业化进程。国内DMFC的研究始于20世纪90年代初,目前有20余个单位先后开展了DMFC研究工作,并取得了长足进展,但总体水平与国外先进水平相比仍有一定差距。 2甲醇燃料电池简介 直接甲醇燃料电池(DMFC)以其燃料来源丰富、储存方便、结构简单、操作安全、持续供电时间长等优点而日益受到广泛关注,预计将在小型家用电器、笔记本电脑、手机以及军事移动性仪器等领域具有广泛的应用前景。在过去的二十多年里,人们对这种新型电源产生了巨大热情,许多国家均对

中国甲醇燃料电池汽车发展展望

中国甲醇燃料电池汽车发展展望甲醇作为汽车燃料对于国人来说并不陌生。在过去近二十多年的时间里，甲醇燃料的内燃机的研究一直没有间断。 随着吉利公司的董事长李书福在2017年和2018年的两会期间对甲醇汽车的宣传，甲醇汽车开始逐步进入民众的视野。吉利从2005年开始研发甲醇发动机，2015年开始有6辆甲醇轿车走出国门，在冰岛进行测试。在2017年更是推出新一代的商用车甲醇发动机。将甲醇在车辆上的应用范围进一步拓展。 与甲醇内燃机相对的，还有一条技术路线是“甲醇氢燃料电池”。由于中国的汽车主机厂在燃料电池的技术路线上的投入总体偏少，除上汽在燃料电池方面和新源动力有合作推出荣威750和950两款燃料电池样车外，其他公司的产品鲜有报道。 甲醇燃料电池汽车在中国的诞生是基于电动公交车的迅速发展！ 2011年，世界大学生运动会在深圳举行。当年，市政府决定推广2011辆新能源车，其中1000辆采用了沃特玛的磷酸铁锂电池。正是这批电池催生了甲醇燃料电池在汽车上的应用：因为那一批的锂电池电动车里程衰减太快！半年后司机就开始抱怨里程仅为原来的60-70%！跑相同的里程，充电次数由原来的一日一充变成一日两充！司机在终点站要去换车，让电力不足的车在那里充电！ 如此一来，对电动车的管理提出了新的挑战。政府主管部门开始担忧，如果锂电池技术无法突破，将来是否需要对这一批车进行报废，未来是否可以推广纯电动公交车？ 提升电池性能是一种方式，对锂电池在行车的过程中充电，也不失为一种延长电池寿命，延长续航里程的方式。 但是用清洁能源发电的方式，有多少种选择？ 内燃机做混合动力，在深圳同样有尝试，但是镍氢电池组和发动机的混动实际运行效果不好。除去内燃机，就是氢燃料电池了。 为了世界大学生运动会，深圳也曾临时建了一个加氢站，五洲龙公司也生产了几台氢燃料电池大巴车，但是在运动会以结束，这些背着氢罐的大巴车就进入了车库，临时的加氢站也停止了运营。 纵观各类技术，甲醇制氢发电似乎是一条不错的道路。 从深圳电动车日耗电300kWh，工作时间12h左右来推算，25kW的燃料电池系统应该可以比较好地解决电力衰减问题。 甚至如果采用10kW的系统，一天补电120kWh，也可以省去“第二次”充电。 在这种背景下，大家开始讨论将甲醇重整燃料电池系统“上车”。彼时大家对甲醇重整请燃料电池的理解还是在“固定式应用”，尤其是在通信基站方面的应用。 知名的燃料电池公司Ballard，曾经收购了一家Edatech的公司，该公司基于甲醇重整制氢、提纯后进入燃料电池电堆发电的系统被成功应用于通信基站，作为后备电源，可以在电网断电时提供电力供应。

直接甲醇燃料电池

直接甲醇燃料电池研究进展 伍静燕 08122547 摘要：介绍了直接甲醇燃料电池的原理、结构。基于目前的不足，总结了直接 甲醇燃料电池在催化剂、质子交换膜和膜电极方面的研究策略和相关进展。略述了DMFC的应用现状，并对其前景作了展望 关键词：直接甲醇燃料电池；工作原理；研究进展；应用展望 1引言 直接甲醇燃料电池(DMFC)作为新型、清洁、可再生能源，由于具有结构简单，运行温度和压力要求低，能量密度高(大约 6 000Wh/kg)，能提供比二次电池高10倍以上的电量以及不需要重整装置等优点，在汽车和便携式电子设备等领域中拥有广阔的应用前景。目前受到了越来越多的关注，是最有可能实现商业化应用的绿色能源。 燃料电池是一种高效的能源转换装置,其理论效率可达83%,而内燃机的极限效率只有60%左右。因此,在能源渐趋紧张,环境日益受到各国重视的今天,燃料电池的发展受到了广泛的关注,是中国、美国、加拿大等国家的重点科技项目之一。 2 DMFC的工作原理及其缺点 直接甲醇燃料电池从质子交换膜燃料电池(PEMFC)发展而来，是指以甲醇溶液为燃料、以空气或氧气为氧化剂的化学能直接转化为电能的一种发电装置，产物为CO 2 和水。反应方程式如下: 阳极反应:CH 3OH+H 2 O→CO 2 +6H++6e－ (1) 阴极反应:3/2O 2+6H++6e－→3H 2 O (2) 电池总反应:CH 3OH+3/2O 2 →CO 2 +3H 2 O (3) 在阳极区,负极活性物质甲醇水溶液经阳极流场板均匀分配后,通过阳极扩 散层扩散并进入阳极催化层中,在碳载铂钌电催化剂的作用下发生电化学氧化反应,生成质子、电子和CO 2 。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极, 电子通过外电路传递到阴极, CO 2 在酸性电解质帮助下从阳极出口排出。 在阴极区,正极活性物质氧气或空气经阴极流场板均匀配后,通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中(即阴电化学活性反应区域),在碳载铂钌电催化剂的作用下与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水随反应尾气从阴极 出口排出。其结构和电化 学反应见下图。