碳载碳化钨催化剂的制备与性能+文献综述(4)
直接乙醇燃料电池（DEFC）的基本结构如图 1 所示。DEFC 由阳极，电解质膜和阴极构成。阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成。通常使用不同疏水性、亲水性的碳黑和聚四氟乙烯（PTFE）作为 DEFC 的阳极和阴极材料。DEFC 阳极室进料为乙醇和水，根据操作压力和温度的不同，可以是液相或者气相，阴极进料可以是氧气或者空气。乙醇和水通过阳极扩散层扩散至催化层（即电化学活性反应区域），发生电化学氧化反应，生成 CO2和 H+。CO2则通过阳极扩散层扩散回到阳极室中。而H+则在电场作用下通过电解质膜迁移到阴极催化剂层，并与阴极室通过阴极扩散层扩散而至的氧气发生反应生成水。同时，在这一过程中，乙醇在扩散和电渗作用下，从阳极渗透到了阴极，部分乙醇又在阴极催化剂层与氧气反应生成 CO2和水[13]。
DEFC 中的电极反应如下：
阳极反应：CH3CH2OH+3H2O→ 2CO2+12H++12e- (1-1)
阴极反应：3 O2+ 12 H++ 12e-→ 6H2O (1-2)
总反应：CH3OH + 3 O2 → 2CO2+ 3H2O (1-3)
图 1 DMFCs工作原理示意图
阳极产生的电子经外电路经过负载流向阴极形成直流电源。电池的标准电压为1.18V，理论上当相对可逆氢电极（RHE）的阳极电位高于 0.046V 时，乙醇氧化反应自发进行。同样当阴极电位等于或略低于 1.23V 时，氧气还原反应也自发进行。在实际操作过程中，阳极需要一个更强的正电位，阴极也需要一个更强的负电位来加速电极反应的进行。除了活化过程损失之外，还有因电池内阻引起的欧姆损失，真正的 DEFC 电池输出电压远小于理想的电池标准电压。在标准平衡状态下，由反应（1-1）、（1-2）的吉布斯函数变化可计算得到电池的电动势为：
Eθ =-ΔGθ/nF=1.145V (1-4)
总反应过程涉及到的标准吉布斯函数变ΔGθ=-1352.3 kJ/mol；涉及到的焓变为ΔΗθ=-1367 kJ/mol。标准状态下电池效率为：
η=ΔGθ/ΔΗθ×100%=97% (1-5)
该值高于相应条件下氢氧燃料电池的理论能量效率（83%）。由以上数据看出，DEFC 在标准状态下的理论电压较高，基本与氢氧燃料电池相近，但由于在实际使用过程中的电极极化和电池内阻的欧姆损失，DEFC 的输出电压远小于标准状态下的理论电压。理论能量转化效率也很高，但实际的能量转化效率也要低很多。
对于直接醇类燃料电池的能耗，其催化剂的活性具有很大影响因素。1961年，Gaziew等[14]发现WC对环乙烷脱氢反应具有催化活性，从而为WC的研究和开发工作拓展出一个全新的领域。其后，Samsonov等用WC作催化剂对乙苯脱氢制苯乙烯反应的催化剂进行了探讨。1968年西德的Bohm和Pohl等打破传统观念，首次在实验室成功制备了具有较高催化活性的WC，其比表面积达5~20m2/g。他们发现这种WC对氢的阳极氧化反应具有很好的电催化活性。由于Pt和Pd价格昂贵，所以比表面积较小，活性位较少的WC加入一定量的碳载体制备比表面积大，粒度小的碳载碳化钨来提高直接醇类燃料电池的催化活性，具有重大的经济价值和社会意义。
上一篇：橡胶公司的环境影响评价