DMFC――燃料电池课件

整理文档很辛苦,赏杯茶钱您下走!

免费阅读已结束,点击下载阅读编辑剩下 ...

阅读已结束,您可以下载文档离线阅读编辑

资源描述

直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCells,DMFC)1.概述进入20世纪90年代,PEMFC在关键材料与电池组等方面均取得了突破性进展。但在商业化进程中,氢源问题一直没有得到解决,氢的供应设施建设投资巨大,而氢的贮存与运输技术和氢的现场制备技术等还有待于进一步发展,目前,氢源问题是PEMFC商业化发展中的主要障碍之一。因此,以甲醇等醇类直接为燃料的FC在20世纪末受到人们的重视,其中直接甲醇FC(DirectMethanolFuelCells,DMFC)已成为研究与开发的热点,并取得了重要进展。甲醇的物理化学性质作为重要的化工原料和燃料,甲醇可由水煤气或天然气合成,而且技术和工艺都非常成熟。不同蓄能介质储存能量比较表2工作原理阳极反应:e6H6COOHOHCH223OH3e6H6O2322阴极反应:总的电池反应:OH2COO23OHCH2223甲醇在阳极电化学氧化过程的机理非常复杂,在完成6个电子转移的过程中,会生成众多稳定或不稳定的中间物,有的中间物会成为电催化剂的毒物,导致催化剂中毒,从而降低电催化剂的电催化活性。甲醇氧化的可能步骤图因此,在DMFC开发过程中,甲醇直接氧化电催化剂的研发、反应机理等一直是研究的热点,也是DMFC发展的关键之一。根据甲醇与水在电池阳极的进料方式不同,可将DMFC分为两类:以气态甲醇和水蒸汽为燃料和以甲醇水溶液为燃料。1)以气态甲醇和水蒸汽为燃料:由于在常压下水的饱和温度为1000C,所以这种DMFC工作温度要高于1000C。目前交换膜的质子传导性都与液态水含量有关,因此,当电池工作温度超过1000C时,反应气的工作压力要高于大气压,这样电池系统就会变得很复杂。至今尚没有开发出能够在150~2000C下稳定工作,且不需液态水存在的交换膜。因此,这种DMFC目前研究的很少。2)以甲醇水溶液为燃料:采用不同浓度的甲醇水溶液为燃料的液体DMFC,在室温及1000C之间可以在常压下运行。当电池工作温度超过1000C时,为防止水汽化而导致膜失水,也要对系统加压。以甲醇水溶液为燃料的DMFC是目前研发的重点。DMFC单位面积的输出功率紧为PEMFC的1/10-l/5,其原因主要有下述两个方面:1)甲醉阳极电化学氧化历程中生成类CO的中间物,导致Pt电催化剂中毒,严重降低了甲醇的电化学氧化速度(比氢气氧化的速度要低得多),增加阳极极化达百毫伏数量级。而当以氢为燃料时,当电池工作电流密度达1A/m2时.阳极极化也仅几十毫伏;2)燃料甲醇通过浓差扩散和电迁移由膜的阳极侧迁移至阴极侧(甲醇渗透,Crossover),在阴极电位与Pt/C或Pt电催化剂作用下发生电化学氧化,并与氧的电化学还原构成短路电池,在阴极产生混合电位。甲醇经膜的这一渗透,不但导致氧电极产生混合电位,降低DMFC的开路电压,而且增加氧阴极极化和降低电池的电流效率。图2003年运行在大气压力下最好的DMFC性能与PEMFC的比较不同浓度下和负荷条件下甲醇渗透的变化DMFC与PEMFC不同点:1)由甲醇阳极氧化电化学方程可知,当甲醇阳极氧化时,不但产生H+与电子,而且还产生气体CO2,因此尽管反应物CH30H与H20均为液体,仍要求电极具有憎水孔。而且由水电解工业经验可知,对析气电极,尤其是采用多孔气体扩散电极这类立体电极时,电极构成材料(Pt/C电催化剂)极易在析出的反应气作用下导致脱落、损失,进而影响电池寿命。因此与PEMFC相比,在DMFC阳极结构与制备工艺优化时,必须考虑CO2析出这一特殊因素。2)当采用甲醇水溶液作燃料时,由于阳极室充满了液态水,DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的水饱和状态下。但与PEMFC不同的是,当DMFC工作时不管是电迁移还是浓差扩散,水均是由阳极侧迁移至阴极侧,即对以甲醇水溶液为燃料的DMFC,阴极需排出远大于电化学反应生成的水。因此与PEMFC相比,DMFC阴极侧不但排水负荷增大,而且阴极被水掩的情况更严重,在设计DMFC阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。正因为如此,在至今评价DMFC时,阴极氧化剂(如空气中氧)的利用率均很低,其目的是增加阴极流场内氧化剂的流动线速度,以利于向催化层的传质和水的排出,但这势必增加DMFC电池系统的内耗,这是研究高效大功率DMFC电池系统时必须解决的技术问题。当采用甲醇水溶液作燃料时,DMFC的核心部件MEA阳极侧是浸入甲醇水溶液中的,加之在DMFC工作时,又有C02的析出;而阴极侧,排水量也远大于电化学反应生成水,不管是气化蒸发以气态排出,还是靠毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水,均会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。因此,在制备DMFC的MEA时,与PEMPC的MEA相比,要改进结构与工艺,增加MEA的电极与膜之间的结合力,防止MEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极化,大幅度降低电池性能,严重时导致电池失效。DMFC基本组成图DMFC的优点:燃料来源非常丰富,室温下为液体,与水互溶,燃料贮存和供应系统简单,可以采用类似目前加油站的系统,热管理要求低。DMFC的结构与PEMFC的结构类似,但在催化剂、电极结构及水管理方面有其特点:1)由甲醇阳极氧化的电化学反应方程可知,甲醇在阳极氧化时,在产生H+和电子的同时,且产生气体CO2。因此,尽管CH3OH和H2O都是液体,但仍要求电极具有憎水孔。2)以甲醇水溶液为燃料时,由于阳极室充满液态水,交换膜阳极侧始终处在良好的水饱和状态下,电池的热管理相对简单。但阴极侧的水管理难度大大增加。在设计和运行管理时必须考虑这些因素。因此,对DMFC电池而言,除了水热管理外,还有CO2问题。存在的问题:电催化活性低和甲醇渗透两大技术难题。1)电极催化剂的用量比PEMFC高约一个数量级,导致电池成本高;2)电池组长时间运行的稳定性有待提高。问题的关键是甲醇阳极电化学氧化催化活性不高和甲醇渗透(Crossover)。一旦这两个问题得到解决,以DMFC为动力的各种电动车和移动电源(如手机、笔记本电脑等)会有良好的发展和应用前景。DMFC的应用:最大用户是电动车动力源和移动电源。DMFC结构简单,尽管存在电催化活性低和甲醇渗透两大技术难题,但DMFC电池系统比PEMFC简单。最有可能首先商业化的应用:微小型DMFC应用于手机、笔记本电脑、数码相机、PDA等,代替Li-ion电池。

1 / 35
下载文档,编辑使用

©2015-2020 m.777doc.com 三七文档.

备案号:鲁ICP备2024069028号-1 客服联系 QQ:2149211541

×
保存成功