甲醇燃料电池的催化性能比较

论文总字数：16498字

目 录

第1章 绪 论 5

1.0 前言 5

1.1 燃料电池概述 5

1.1.1 燃料电池的发展简述 6

1.1.2 燃料电池的工作原理 6

1.1.3 燃料电池的特点 7

1.2 甲醇燃料电池 8

1.2.1 甲醇燃料电池的工作原理 8

1.2.2 直接甲醇燃料电池的催化剂 9

1.2.3 DMFC的研究现状 9

第2章 实验总述. 10

2.0实验仪器 10

2.1 实验原理 10

2.2 实验步骤 12

2.2.1 电极的预处理 12

2.2.2 溶液的配制 12

2.2.3 调试 12

2.2.4 数据处理 14

2.2.5 结论与讨论 19

3.0 参考文献. 20

致谢 22

甲醇燃料电池的催化性能比较

拉巴次仁

，China

Abstract：In this paper, the electrochemical behavior of Pt electrode, GC electrode and GC/Pt electrode in methanol solution of different concentration was studied. The changes of current voltage curves under different concentrations of methanol solution and different sweep speed were studied. The catalytic activity of Gc/Pt electrode is relatively better than that of Pt electrode, while the GC electrode is poor. The difference in catalytic capability comes from different electrode materials and different scales.

Keywords: Methanol fuel cell; Pt electrode; GC electrode; GC/Pt electrode.

1. 绪 论

1.0 前言

能源的发展是中国经济和人民生活水平提高的重要物质基础。^[1]能源的问题也困扰着全世界的科学家和研究人员们，因为我们所处的地球的能源并不是取之不尽的，当我们所处地球的资源慢慢没有的时候，我就不能无限制地开采这些资源，与此同时我们也在寻找能够代替传统老能源的替代品。^[2]在不断地探索中我们发现了甲醇能源，甲醇燃料的市场蒸蒸日上，全球性能源紧缺，从而导致燃油、燃料等的价格不断地上升，直接影响了人们的日常生活。^[3]党中央和国务院很重视新能源的开发利用，也从此拉开了节能减排任务的序幕，我们要开发和应用新能源已经是主流。甲醇燃料是目前中国新能源的重要组成部分，对经济发展做出了重要贡献，能源是一个非常巨大的市场，甚至决定着一个国家整体的经济发展水平。我眼看石化能源的枯竭，甲醇燃料是目最好的新型替代能源性能源。其低价、高效、安全、环保。^[4]近年来，随着中国“一带一路”战略的逐步实施，中国正在与“一带一路”沿线国家开展合作。积极规划六大经济走廊建设，能源领域合作无疑是规划中的热点之一。鉴于目前我国国内的城市化建设迅速、商品产业化需求愈加强烈、现代工业扩张以及过剩的生产严重，因此，能源消费过于集中在固定和有限的区域，由于清洁能源结构不足造成的现有旧能源已造成严重的环境污染。煤炭，石油和天然气的燃烧排放出大量的有害物质，这些物质也在附近年来雾霾越来越严重、温室效应以及光化学烟雾等环境污染形成的主要原因。与此同时因为如今人类对地球资源的开采过量， 我们赖以生存的各样能源资源正在慢慢减少，濒临枯竭。维持人类继续开采、利用的时间不多余95个年头，煤炭存储量也仅能供人们持续使用200年左右，我们的生存和发展面临着严峻的能源危机和挑战。面临能源危机，世界各个国家与各个政府都在竭力探求、开发、研制出能够代替旧能源的新型能源，我们国家早在上世纪70年代加入新型能源研究的潮流中，现在在新型能源研究领域的多个方面已处于世界领先、带头地位。^[5]

1.1 燃料电池概述

燃料和氧气被用作同时没有燃料电池机械传输的部件，因此它们没有噪音，并且排放的有害物质特别低;没有健康的污染。燃料电池具有很大的发展前景。碱性燃料电池（AFCs）是早期的燃料电池技术，并在20世纪60年代成功地用于太空飞行。^[6]磷酸燃料电池（PAFC）也是早期的燃料电池技术之一。它是最成熟的燃料电池应用技术，已经大规模生产并用于商业应用。^[7]但由于其成本较高，只能作为本地发电站，用于本地供电和供热。第二代燃料电池技术融化碳酸燃料电池（MCFCs）并专注于设备的发电。其结构坚固，能源利用率高，对各种燃气如天然气，混合气体具有广泛的适应性，促进了快速发展。^[8]

1.1.1 燃料电池的发展简述

世界上第一个氢氧燃料电池是由英国威廉格罗夫于1839年制造的，人们称它为格罗夫电池。^[9]他用水的电解实验，用若干只电池串联起来，通过氢气与氧气的反应，照亮了伦敦演艺厅，从此以后燃料电池发展的序幕就浩浩荡荡地展开了。那么170多年来燃料电池发展的漫长而曲折的历程已经揭开了序幕。1990年我国在吉林省长春市的应用化学研究所开始进行开发研究PEMFC，到现在为止已经有20多年历史。同时，燃料电池和电动汽车的研发也列入“九五”，“十五”计划和“863”计划的中国发展计划。大量的大学和科研机构也参加了这个项目，取得了很好的成绩。与此同时，武大，同济，清华，华南理工大学，武汉理工大学，西南交通大学等高校在燃料电池的部分领域取得了良好成绩。^[10]

1.1.2 燃料电池的工作原理

典型电池的活性物质储存在电池内部，因此电池容量不大。但是，燃料电池的阳极和阴极本身不具有活性物质，只是催化转换元件。理论上，只有反应物连续输入，反应产物连续输出，使得燃料电池可以继续发电。我们用氢氧燃料电池来说明这一点。这个反应是电解水逆过程的原理。^[11]电极应为：

负极：O₂ 4e^- 2H₂0 == 4OH^-

正极：1/2O₂ H₂O 2e^-==2OH^-

电池反应：H₂ 1/2O₂==H₂O另外，只有燃料电池本体还不能工作，

燃料电池

必须有适当的辅助系统，包括反应物供应，排热，排水，电气性能控制系统和安全装置。气体流路允许燃料气体和空气（氧化剂气体）在流路中流动。由于不同的工作电解质，穿过电解质的离子类型和反应是不同的。PAFC和PEMFC反应中与H 有关，发生的反应为：

燃料极：H₂=2H 2e^-（1）

空气极：2H 1/2O₂ 2e^-=H₂O（2）

全体：H₂ 1/2O₂=H₂O（3）

图一.燃料电池示意图^[11]

在燃料电池的电极中，所提供的燃料气体中的氢被分离成H 和e^-，并且H 迁移到电解质中，并与从空气电极侧供应的氧起反应。E^-通过外部负载电路参与气柱侧化学反应，然后返回到空气电极侧。^[12]一系列反应通过外部电路促进了e-stop，因此它构成发电。根据上述公式（3）可知，除了该反应以外，由氢和氧产生的水没有其他反应，并且储存在氢中的化学能转化为发电。然而，实际上，由于电极反应具有一定的电阻，导致一定量的热能，所以转换成电能的比率降低。造成这种反应的电池称为模块，产生的电压一般低于1V。因此，为了获得较大的输出功率，必须通过多层堆叠元件获得高压堆叠。部件和部件之间的电气连接以及使用隔板分离燃气和空气（具有上部和下部气体流路的部件以及由C材料制成的PAFC和PEMFC的隔板）。^[13]电池组的输出由总电压和总电流的乘积决定，电流与电池的反应面积成正比。PAFC电解质是浓磷酸的水溶液，而PEMFC电解质是聚合物基膜。电极通常由含碳多孔体制成，Pt是催化剂，并且燃料气体中的一氧化碳会引起中毒，损害电极性能。这样处理的燃料气体通过燃料电池堆的阴极（燃料电极）并同时将氧输送到燃料电池堆的阳极（空气电极）以进行反应。电能和热能立即通过催化剂。与PAFC和PEMFC相比，高温燃料电池MCFC和SOFC不需要催化剂，以一氧化碳为主要成分的煤气可以直接用作燃料。并具有形成高品质废气联合循环发电的特点。

1.1.3 燃料电池的特点

在发电原理中，燃料电池和常用化学电源的机理是相同的，它们都通过正极和负极中的活性物质的反应将材料中所含的化学能转化为电能。^[14]然而，燃料电池与其他化学动力源的优势无法比拟。

（1）发电效率之高。如今，人们已经拥有了发电技术。除了核电之外，即使是什么样的发电装置本质上也是将存储在材料本身中的化学能转化为电能，但这个过程或路线并不相同。根据热力学原理，我们知道物质储存化学能可以用DH表示：DH = DG TDS（1 - 1）其中DG是吉布斯自由能，可任意转化为有用功的部分也是储能材料的化学储存。能量的最大值，TDS是无用的，没有办法转化为有用的工作。从图1-1可以看出，燃料电池只有一个转换步骤来发电。在可逆条件下，材料的吉布斯自由能DG可以完全转化为有用的电能。显示了燃料电池在可逆条件下的最佳效率。它是：h = DG / DH（1-2）相反，当热机发电时，必须有四次能量转换。

（2）环境友好性。前者通过热机获取热能的方式是燃烧，这必然会造成污染并导致温室效应。当燃料电池工作时，燃料不需要燃烧，但能量来自电化学反应，排放的污染物也很小。当我们使用氢气作为燃料时，纯净水被排放。当然，获取氢气，一氧化碳和其他燃料可能必须通过化石燃料来纠正，而且自然会产生一些污染物。即便如此，污染物还不到热力发动机燃烧产生的污染物的40％。由于必须除去燃料电池的燃料气体而不使硫及其化合物反应，所以燃料电池基于发电的电化学原理，没有热机燃烧过程，因此几乎没有氮氧化物和硫氧化物被排放以减少空气污染。燃料电池的主要产品是H₂O，它对环境没有任何影响。^[15]

（3）适应能力强，燃料电池可以使用多种多样的燃料，包括火力发电厂不宜使用的低质燃料既 可用于固定地点的发电站，也可用于汽车、潜艇等交通工具的动力源。负荷应答速度快、易启动、设备占地面积小。

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