堿性燃料電池

1、堿性直接乙醇燃料電池的過氧化氫作為氧化劑性能堿性直接乙醇燃料電池（DEFC）與過氧化氫作為氧化劑的開發(fā)和測試。本燃料電池由一個非鉑陽極，一個陰離子交換膜和非鉑陰極的。它表明，該燃料電池的峰值功率密度為130mWcm-2，在60 C（160mWcm？2AT80），這比同型燃料電池的設(shè)置，但用氧作為氧化劑的高44。改進(jìn)的每一致性好的，與用氧氣作為氧化劑的燃料電池相比，主要?dú)w因于過氧化氫的還原反應(yīng)，并與液體氧化劑相關(guān)的減少歐姆損耗的優(yōu)異電化學(xué)動力學(xué)。堿性直接氧化燃料電池（DOFC）各種液體燃料，這應(yīng)許是一個干凈，高效的能源生產(chǎn)技術(shù)，最近吸引了全世界的關(guān)注1E5。中所使用的燃料，乙醇已被公認(rèn)為是最理想

2、的燃料，因?yàn)樗翘贾行缘?，可持續(xù)的燃料和具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，包括高的能量密度和易于 運(yùn)輸，儲存以及處理。因此，巨大的努力已經(jīng)取得了堿性直接乙醇燃料電池（DEFC）在過去十年的發(fā)展6E10。然而，對阻礙這種類型的燃料電池商業(yè)化的主要問題之一是碳化問題與CO 2在陰極上存在當(dāng)用空氣作為氧化劑11相關(guān)聯(lián)。一方面，碳酸DCO2？3日，其由二氧化碳之間在空氣中和的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的OH？離子在陰極處，可導(dǎo)致在這兩個膜和陰極催化劑層（CL）的離子傳導(dǎo)性的降低，從而提高了電荷輸送性12。但是應(yīng)當(dāng)注意的是，作為堿被加入到乙醇溶液中，OH？離子也來自除由氧還原反應(yīng)（ORR）13所產(chǎn)生的陽極（堿交叉）。 另一

3、方面，堿滲透到陽極使碳化沉淀在陰極，它不僅覆蓋了活性位點(diǎn)和連塊的電極的孔中，從而降低了氧還原動力學(xué)，增加氧氣的themass輸送阻力，分別14 】，同時也降低了疏水性電極，降低除水的能力，從而增加氧15的質(zhì)量傳遞阻力。因此，至關(guān)重要的是要避免在堿性DEFCs的陰極CO2存在。一種方法是將包括在陰極外的空氣濾波器，分離CO 2 fromthe空氣，與該無CO2的空氣，可以供給到陰極。然而，包括空氣濾波器不僅使燃料電池系統(tǒng)更加笨重，同時也增加了設(shè)計的復(fù)雜的想法。 代替使用氧氣作為氧化劑最近，使用過氧化氫（H2O2）為氧化劑已收到everincreasing關(guān)注16e18，主要用于與液體過氧化氫的獨(dú)

4、特的特性關(guān)聯(lián)的，原因如下：1）使用過氧化氫的燃料電池可以與缺乏氧氣的環(huán)境中，如外層空間和水下條件下操作19; 2）使用過氧化氫作為氧化劑可以大幅提高燃料電池的理論電壓，從而提高了性能20; 3）過氧化氫提供的還原反應(yīng)由于兩個電子轉(zhuǎn)移21的低活化損失。我們注意到，顯著的努力已經(jīng)進(jìn)行了基于過氧化氫燃料電池22e25的發(fā)展。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種堿性DEFC與過氧化氫作為氧化劑。燃料電池由一個非鉑陽極，一個陰離子交換膜（AEM），和非鉑陰極的。我們表明，在本燃料電池不僅避免了在堿性燃料電池用氧作為氧化劑時遇到的碳酸化的問題，但也產(chǎn)生了高達(dá)130毫瓦厘米的峰值功率密度2，在60。2如圖所示。如圖

5、1所示，堿性DEFC與過氧化氫作為氧化劑時由陽極電極，AEM和陰極電極。在陽極上，乙醇OH反應(yīng)？離子以根據(jù)產(chǎn)生乙酸，水和電子13： 所產(chǎn)生的電子通過外部電負(fù)載和在陰極到達(dá)。在陰極上，過氧化氫是音響首先轉(zhuǎn)換成何？ 2由OH結(jié)合？離子根據(jù)26：然后，將過氧化氫還原反應(yīng)（HPRR）在陰極可以表示為22：所生產(chǎn)的OH？離子通過AEM遷移到陽極以形成離子電流。其結(jié)果是，可以通過以下步驟獲得的堿性過氧化氫為基礎(chǔ)的DEFC的總反應(yīng)結(jié)合由方程給出的EOR。 （1）與由式給出的HPRR。 （2）和（3），即：這導(dǎo)致了1.61 V的電壓。該理論電壓顯示增加與該堿性O(shè)2組合的DEFC（1.14）的比較。3實(shí)驗(yàn)部分M

6、EA制備一種膜電極組件（MEA），以1.0 cm的活性區(qū)域？* 1.0厘米，是由一個AEM（德山，A201：28毫米）的陽極和陰極電極之間。陽極電極wasmade通過涂刷catalystink（1.0毫克-12鈀鎳/ C和5重量的PTFE）到一片鎳泡沫。陰極電極是由將所述FeeCo的K-14 HYPERMEC？催化劑（ACTA）用的裝載 1.0毫克-12到碳布13。3.2燃料電池的設(shè)置和儀表所述制備的MEA中的陽極和陰極佛羅里達(dá)州流場之間夾緊。含乙醇和KOH的燃料溶液輸送到陽極溢流通道由一個蠕動泵以2.0毫升分1一溢流率，同時過氧化氫溶液加入到所述陰極為2.0毫升分的溢流率1。電池溫度測量與位

7、于負(fù)極集電體上的熱電偶和兩個電加熱棒分別裝在電池音響xtures來控制操作溫度。極化曲線是由一個電負(fù)載（阿濱BT2000）進(jìn)行測定。內(nèi)阻是由阿濱BT2000的內(nèi)置函數(shù)測量。4結(jié)果與討論常規(guī)性能燃料電池用H 2 O 2和O 2作為氧化劑之間的性能比較圖。2.堿性過氧化氫為基礎(chǔ)的DEFC的極化和功率密度曲線，在60中得到的4 C為3.0甲醇+5.0MKOH在2.0mLmin？1的溢流速率的水溶液，并與過氧化4.0M的氫的水溶液2.0毫升分的溢流率1，而對于堿性DEFC與氧氣的數(shù)據(jù)作為氧化劑來自我們的早期工作13，它被用相同的燃料電池單元的設(shè)置和相同的操作條件下獲得的，但以氧為氧化劑?？梢钥闯觯cO

8、 2的更換，以H 2 O 2，開路電壓（OCV）為0.88 V提高到0.90伏，而峰值功率密度從90毫瓦厘米增加？2至130毫瓦厘米？2。的顯著改善的性能過氧化氫作為氧化劑可以歸因于以下兩個原因：網(wǎng)絡(luò)連接第一個，所述HPRR具有更快的電化學(xué)動力學(xué)比ORR確實(shí)為HPRR是雙電子轉(zhuǎn)移過程相比，對于一個四電子轉(zhuǎn)移過程在ORR21。其次，由于過氧化氫在陰極處的水溶液能夠使膜和陰極發(fā)光是完全水合的，本燃料電池（105畝平方厘米）的內(nèi)阻比堿性O(shè)2組合的DEFC的低得多（247畝平方厘米），如表1所示。 有趣的是注意到，所述OCV增量與氧化劑從氧氣代替過氧化氫是相對較小，且遠(yuǎn)低于理論酮（1.61）。其原因?yàn)?/p>

9、何OCV改善不顯著的，如下所示。在堿性過氧化氫為基礎(chǔ)的DEFC中，HPRR是伴隨著過氧化氫的氧化反應(yīng)（HPOR）26： 此外，從HPOR產(chǎn)生的氧氣可以進(jìn)一步根據(jù)降低22：與堿性過氧化氫為基礎(chǔ)的DEFC的HPOR相關(guān)聯(lián)的混合電位是一個至關(guān)重要的問題26需要在將來得到解決。圖。圖3示出基于DEFCat60堿性H 2 O 24 C的恒currentdischarging行為。可以看出的是，本燃料電池可20小時連續(xù)操作過程中穩(wěn)定地運(yùn)行。4.2過氧化氫濃度的影響圖。圖4示出用不同的過氧化氫的濃度范圍from2.0 M鍵8.0M的電池性能。可以看出，在低于400毫安厘米？2的電流密度，在三種條件下，本燃料

10、電池產(chǎn)生幾乎相同的極化曲線。然而，在電流密度比400毫安厘米高？2，2.0-M運(yùn)行在極限電流密度的結(jié)果?？梢钥闯觯?.0M的增加，過氧化氫濃度，放電時沒有極限電流密度發(fā)生。顯然，在2.0-M的操作的極限電流密度引起的質(zhì)量傳遞 的過氧化氫的限制在低濃度。當(dāng)過氧化氫的濃度進(jìn)一步提高到8.0 M時，電池性能不在陰極處發(fā)生大的變化的過氧化氫濃度CL為薩夫音響cient用于反應(yīng)。4.3。工作溫度的影響本節(jié)介紹的工作溫度對電池性能的影響。從圖看出。5，隨著操作溫度的電池電壓增加而增加。從130毫瓦厘米的峰值功率密度增大2至160毫瓦-12當(dāng)操作溫度從60升高？至80。增加的性能如提高的工作溫度的結(jié)果可作如下解釋。首先，增加了運(yùn)行溫度提高兩電極上的電 - 化學(xué)動力學(xué)，降低啟動損耗13。其次，增加了操作 溫度提高了膜的離子電導(dǎo)率（見表1），并有利于反應(yīng)物輸送和產(chǎn)物去除速率，從而降低了歐姆損耗和濃度損失分別7。因此，電池性能被升級的操作溫度。5.結(jié)束語在這項(xiàng)工作中，我們已經(jīng)開發(fā)和測試的堿性DEFC與過氧