日产发布乙醇燃料电池车续航600公里以上

直接乙醇燃料电池(DEFC)由于乙醇的天然存在性、无毒,是一种可再生能源开始引起人们的研究兴趣。但与直接甲醇燃料电池和氢氧质子交换膜燃料电池相比,DEFC的功率密度很低,远不能达到工业应用的水平。虽然直接甲醇燃料电池中的甲醇渗透问题受到人们的关注而且已经进行了深入研究,但DEFC 中的乙醇渗透问题目前鲜有问津。在本论文中,系统研究了乙醇透过Nafion-115 电解质膜的渗透率,并与相应的甲醇的渗透率进行了比较。与此同时,研究比较了它们对PtRu 为阳极催化剂的直接醇类燃料电池性能的影响。进一步研究了膜电极集合体(Membrane Electrode Assembly, MEA)制备方法对DEFC 性能的影响。而且采用半电池和单池评价技术研究了乙醇在碳载PtSn催化剂上的电氧化机理。此外,对以乙醇为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作体系进行了有效能分析(ExergyAnalysis)。 实验结果表明与相同浓度的甲醇水溶液相比,透过Nafion膜的乙醇的渗透率低于甲醇的渗透率。由于乙醇渗透率小而且乙醇在Pt/C 催化剂上的电氧化活性低使得乙醇渗透对直接醇类燃料电池的阴极性能影响小。但是,乙醇对电解质膜的溶胀能力强,造成了电池性能衰减和失活,这是DEFC 研究的一个重要技术难题。 MEA 制备方法对乙醇渗透、DEFC 的开路电压和电池性能都有明显的影响。尽管与传统电极制备方法相比,薄层转压技术的多步骤操作过程对阳极PtRu 催化剂的表面组成和阴极Pt 催化剂的粒径分布都有明显的影响,但由于其制备的MEA 催化层薄而且催化剂与电解质膜之间接触好而使之具有较好的DEFC 性能。 从Pt/C 和PtSn/C 分别为DEFC 阳极催化剂的单池恒电流放电产物分布以及电化学表征结果可以看出,锡能够明显提高铂对乙醇的电催化活性,它能使乙醇比在Pt 上更低的电位下氧化生成乙酸,但是,乙醇氧化的产物仍然主要是含C-C 的化合物,C-C 键的断裂仍是其核心问题。根据单池放电产物的分布结果提出了乙醇在PtSn/C 催化剂上电氧化的可能机理。

乙醇燃料电池，KOH作电解质

总反应：C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O

负极：C2H5OH+16OH(-)-12e(-)=2CO3(2-)+11H2O

正极：O2+4e(-)+2H2O=4OH(-)

乙醇燃料电池，酸作电解质

正:O2 + 4H+ + 4e = 2H2O

负:C2H6O + 3H2O - 12e = 2CO2 + 12H+

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乙醇燃料电池反应

乙醇燃料电池，酸作电解质

总反应：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

正：3O2+12H++12e-= 6H2O

负：C2H5OH+ 3H2O - 12e-=2CO2+ 12H+

乙醇燃料电池，碱溶作电解质

总反应：C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O

负极：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O

正极：3O2+12e-+6H2O=12OH-

乙醇电氧化催化剂

Pt 催化剂对乙醇的催化效果存在尺寸效应和结构效应。Pt 纳米粒子越小，比表面积越大，催化剂活性也越大。但研究发现，粒子小到一定程度时并不能继续提高催化剂的活性。因此，不同结构、尺寸的催化剂材料对于乙醇的催化效果有很大不同。

催化剂的改进除了围绕Pt 基催化剂设计外，寻找替代Pt 作为乙醇催化氧化的催化剂的研究也在不断深入。Pd 储藏量较Pt 丰富，且因在碱性溶液中，Pd 基催化剂性能优于Pt 基催化剂[26-27]，因此除了Pt基催化剂之外，Pd 基催化剂的研究也是一大热门。

以上内容参考 百度百科-乙醇燃料电池

一、 所需器材:

铜片、肥皂(清洁剂)、食盐、水、量杯、天平、三脚架、陶瓷纤维网、酒精灯、 三用电

表、鳄鱼夹、直尺、螺旋测微器。

二、实验步骤:

1.裁好所需尺寸大小的铜片两片，并以肥皂清洗，去除表面油污。

2.将铜片乾燥后，以酒精灯加热铜片，直到铜片表面全部变黑

3.将加热好的铜片(氧化铜)静置冷却。 （注意：氧化铜极易脱落，冷却时应避免移动或触碰）

4.调配好所需浓度的食盐水溶液500mL。

5.将铜片与氧化铜片浸入食盐水中适当深度，并以鳄鱼夹固定后，以电线分别连接三用电表

之正负极。

6.将步骤五之实验装置置於阳光下，并注意将黑色的氧化铜面正向阳光

肆、研究方法

1. 实验一：食盐水浓度的影响

控制变因:反应物在液面下的面积（12.5cm2）、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )

与厚薄、铜片加热为氧化铜的时间(30分钟) 、实验开始时间(中午12:30)。

操纵变因:食盐水浓度(5%、10%、15%)

应变变因:输出电流的大小。

2. 实验二：反应物在液面下面积的影响

控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )与厚薄、铜片加热

为氧化铜的时间(30分钟) 、实验开始时间(中午12:30)。

操纵变因:反应物在液面下的面积（12.5cm2、6.25cm2）。

应变变因:输出电流的大小。

3. 实验三：铜片厚薄的影响

控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、铜片加热为氧化

铜的时间(30分钟) 、反应物在液面下的面积( 12.5 cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。

操纵变因:铜片厚薄（0.1mm、0.05mm）

应变变因:输出电流的大小。

4. 实验四：铜片的大小的影响

控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的厚薄、铜片加热为氧化铜的时间

(30分钟) 、反应物在液面下的面积(12.5 cm2 、18 cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。

操纵变因:铜片大小 ( 5*5cm2 、6*6cm2 )

应变变因:输出电流的大小。

5. 实验五：电解液种类的影响

控制变因:电解液浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、厚薄、铜片加热

为氧化铜的时间(30分钟) 、反应物在液面下的面积(12.5 cm2 )、实验开始时间

(中午12:30)。

操纵变因:电解液种类（食盐水、硫酸铜水溶液）

应变变因:输出电流的大小。

6. 实验六：不同金属片的影响

控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、厚薄、金属片加

热的时间(30分钟) 、反应物在液面下的面积( 12.5cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。

操纵变因:不同金属片（铜片、铝片）

应变变因:输出电流的大小。

7. 实验七：铜片燃烧的时间

控制变因:食盐水浓度(10%)、食盐水体积(500mL)、铜片的大小( 5*5cm2 )、厚薄、反应物在

液面下的面积( 12.5 cm2 )、实验开始时间(中午12:30)。

操纵变因:金属片加热的时间（30分钟、1小时）。

应变变因:输出电流的大小。

伍、研究成果与讨论

(1) 实验一：食盐水浓度的影响

开始时间:民国九十二年三月三日中午12:30

表1-1食盐水浓度15%

时间(分) 0 26 48 53 69 72 93 150

电流(mA) 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35

表1-2食盐水浓度10%

时间(分) 0 18 26 59 74 77 106 142

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.65 0.55 0.5 0.45

表1-3食盐水浓度5%

时间(分) 0 25 47 75 86 94 117 156

电流(mA) 0.75 0.7 0.65 0.6 0.5 0.55 0.45 0.4

当食盐水浓度15%时，电池最大电流有0.7mA；而食盐水浓度10%时，电池最大电流有

0.80mA；食盐水浓度5%时，电池的最大电流0.75mA。也就是说，食盐水浓度太大，反而形

成输出电流的阻力（食盐水溶液中导电粒子碰撞的机率增高）因此，在以下的实验中，我们

决定采用食盐水浓度10%为最佳。另外，值得一提的是，食盐水溶液会逐渐变为淡绿色，我

们认为可能是铜绿所造成的。

(2) 实验二：反应物在液面下面积的影响

开始时间:民国九十二年三月二日中午12:30

表2-1浸入面积:12.5(cm2)

时间(分) 0 13 39 43 56 60 67

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5

表2-2浸入面积:6.25(cm2)

时间(分) 0 2 5 8 20 44 65

电流(mA) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15

当铜片与氧化铜片浸入食盐水中的面积达一半时，电池最大电流有0.8mA；当铜片与氧

化铜片浸入食盐水中的面积达四分之一时的最大电流0.45mA。所以，我们认为反应物在液面

下面积越大所产生的电流也就越大。

(3) 实验三：铜片厚薄的影响

开始时间:民国九十二年三月四中午12:30

表3-1 较厚铜片 (厚度0.5mm)

时间(分) 0 26 48 53 69 72 93

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5

表3-2 较薄铜 片(厚度 1mm)

时间(分) 0 13 39 43 56 60 67

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5

当较薄铜片反应时,电池最大电流0.8(mA)；换上较厚的铜片 ,最大电流亦是0.8mA。显示

出铜片的厚薄并非影响输出电流大小的主要变因。

(4) 实验四：铜片的大小的影响

开始时间:民国九十二年三月五日中午12:30

表4-1 铜片的大小 :36 cm2

时间(分) 0 12 15 75 107 121 150

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5

表4-2 铜片的大小 :25 cm2

时间(分) 0 12 55 84 112 147 163

电流(mA) 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35

我们发现以面积36cm2的铜片为电极的电池,电流0.8mA；而以25㎝2的铜片为电极的

电池，电流0.65mA。这项结果与讨论（二）意义相同，而「太阳能电池需要大面积来产生较

大的电流」在此亦可得到验证。

(5) 实验五：电解液种类的影响

开始时间:民国九十二年三月六中午12:30

表5-1电解液:食盐水(10%)

时间(分) 0 3 14 27 41 87 122

电流(mA) 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25

表5-2电解液:硫酸铜水溶液(10%)

时间(分) 0 13 44 57 77 90 120

电流(mA) 0.1 0.05 0 0.05 0 0 0

我们用硫酸铜水溶液和食盐水来比较，发现以硫酸铜水溶液为电解液的电池最大电流只

有0.1（mA）而以食盐水为电解液的电池最大电流有0.55（mA），为什麼硫酸铜溶液最大电

流会那麼小？我们想可能是因为负极的氧化铜片和硫酸铜水溶液中的铜离子（Cu+2）活性相

近，不利於溶液中离子的导电，电流也小。所以，电解液的种类是影响电池电流的重要因素

之一。

(6) 实验六：不同金属片的影响

开始时间:民国九十二年三月七中午12:30

表6-1金属片:铜片

时间(分) 0 26 48 53 69 72 93

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.55 0.5 0.45

表6-2金属片:铝片

时间(分) 0 26 48 60 75 90 120

电流(mA) 0.1 0.05 0 0 0 0 0

我们使用了铜片和铝片，发现以铜片为电极的电池最大电流是0.80（mA）；以铝片为电

极的电池最大电流只有0.10(mA)。我们想，有可能是选用铝片作为电极时，并不适合以食盐

水溶液作为电解液；也有可能铝片本身就不适合作为太阳能电池的电极。

(7) 实验七：铜片燃烧的时间

开始时间:民国九十二年三月八中午12:30

表7-1 铜片燃烧的时间(1小时)

时间(分) 0 2 4 32 41 63 84

电流(mA) 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4

表7-2铜片燃烧的时间(30分钟)

时间(分) 0 26 48 53 69 72 93

电流(mA) 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5

铜片燃烧时间为一小时,最大电流有0.70mA,可是当铜片燃烧时间三十分钟，最大电流有

0.80mA。可见在制作氧化铜片时，虽然加热愈久，产生的氧化铜愈多，但可能因温度过高，

反而导致生成的黑色的氧化铜更易脱落，真正附著於铜片表面的氧化铜较少，所以，电池的

电流不增反减。因此，铜片燃烧时间最好设定在三十分钟。

陆、结论

（一） 本实验在日照下，由负极氧化铜片上的光电效应所产生之电子，配合铜片作为正极以

及电解液（食盐水）的导电，可对外输出电流0.8mA（本次实验的最大电流）。若在室内

或阳光不充足的地方，本实验装置亦可产生约0.1mA的电流，不过此时的电流应该是氧化

还原反应所产生的，而且负极是铜片，正极为氧化铜。所以，本实验装置的确是属於太阳

能电池的一种。

（二） 本实验的优点是取得材料容易，而在适当的条件下，诸如：日照充足、以浓度10％的

食盐水作为电解液，置於食盐水面下的铜片与氧化铜片面积愈大愈好，加热铜片以三十分

钟较佳，实验所得的电流较为可观。

（三） 本实验有两点可供改良之处：

（1）氧化铜片常容易在拿取或实验的过程中脱落，可在氧化铜表面以一层透明胶带黏

著，以避免造成输出电流减少或导致实验产生较大的误差。

（2）加热铜片可以用烤箱来取代，不仅加热较为均匀，烤箱亦可以设定时间长短与热源

强度，增加实验准确度。

柒、参考文献

1. 自然科学知识文库 ，台北市，北一出版，1978。

2. 科学教授 ，台北市，故乡出版，1981。

3. 电池组与能源系统，尔泰曼著，张桐生译，台北市，徐氏出版，1989。

4. 普通物理学（第四册），Harris Benson著，张洁仪、郑宜男译，台北，状元出版社，1992。

参考资料：http://zhidao.baidu.com/question/3104587.html?fr=qrl3

一、电极

实际应用的燃料电池，需要有足够高的电流密度，因而应提高电极反应的速率。燃料电池中的反应发生在电极表面(严格说是电极、气体和电解质组成的三相界面)上，氢气在阳极发生电极反应，产生的电子和质子分别通过外电路和电解质到达阴极，并在阴极与氧气反应生成水。电子经过外电路时输出了电能。

影响电极反应速率的主要因素是催化活性和电极表面积。燃料电池的电极不是简单的固体电极，而是所谓的多孔电极。多孔的表面积是电极几何面积的102一108倍。电极的催化活性对于低温燃料电池尤为重要，因为电极反应在低温时的速率很低。

另外燃料电池的电极还要求导电性好，耐高温和耐腐蚀。

二、电解质

燃料电池中电解质的主要作用是提供电极反应所需的离子、导电以及隔离两极的反应物质。与一般电解质不同，燃料电池中的电解质或者本身没有流动性，或者被固定在多孔的基质中。

PEMFC的电解质是固态聚合物膜，允许质子通过，故称为质子交换膜。

AFC的电解质是KOH溶液，根据电池工作温度的不同(50一200cC)，KOH的浓度变化很大(35%一85%)。KOH被吸附在石棉基质中。KOH与COZ反应生成溶解度较低的KzCO，而造成堵塞，反应气体中的CO2需要去除。

PAFC使用接近100%的磷酸为电解质，浸在多孔sic陶瓷中。浓磷酸的热稳定性好，并可以吸收电极反应生成的水蒸气，因而PAFC的水管理简单。

MCFC的电解质是混合碳酸盐(LieCO,-K2CO,)，基质为LiAMO2陶瓷，导电的离子是CO一。

SOFC的电解质是多孔金属氧化物，即Y2O,稳定的ZrO2，导电的离子是O2一。

三、双极板

阴极、阳极和电解质构成一个单个燃料电池，其工作电压约0.7V。为了获得实际需要的电压，须将几个、几十个甚至几百个燃料电池连接起来，称为电池堆。两个相邻的燃料电池通过一个双极板连接。双极板的一侧与前一个燃料电池的阳极相连，另一侧与后一个燃料电池的阴极连接(故称为双极板)。

双极板的主要作用有3个，即收集燃料电池产生的电流、向电极供应反应气体、阻止两极之间反应物质的渗透。另外，双极板还起到支撑、加固燃料电池的作用。

低温(小于300cC)燃料电池的双极板材料通常是石墨，高温燃料电池的双极板用不锈钢或导电陶瓷制作。不论用何种材料，双极板的设计和制作都是十分关键的。

总反应：C2H5OH+3O2+4OH(-)=2CO3(2-)+5H2O

负极：C2H5OH+16OH(-)-12e(-)→2CO3(2-)+11H2O

正极：3O2+12e(-)+6H2O→12OH(-)

乙醇燃料电池，酸作电解质

总反应：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

正:3O2+12H(+) +12e(- ) = 6H2O

负:C2H5OH+ 3H2O - 12e(-) → 2CO2+ 12H(+)】

C2H5OH+3O2---->2CO2+3H2O （酸性介质）

正极：3O2+12H+ +12e- = 6H2O

负极：C2H5OH+ 3H2O - 12e- = 2CO2 + 12H+

C2H5OH+3O2+4OH- ---->2CO32-+5H2O （碱性介质）

正极：3O2+6H2O+12e- = 12OH-

负极：C2H5OH+ 16OH- - 12e- =2CO32- + 11H2O

酒精——有机化合物，由于含有一个羟基而与碳水化合物有明显差异。甲醇和乙醇是两种最简单的酒精。

替代燃料——甲醇、变性乙醇及其它酒精；含甲醇、燃料乙醇及其它至少含有85％酒精含量的汽油混合物或酒精与其它燃料的混合物；天然气；液化石油气；氢气；煤提取的液化燃料；从生物材料中提取的非酒精燃料（例如生物柴油）；电力。

无水——指的是不含任何水分的化合物。作为燃料而生产的乙醇，由于水分基本被除尽，一般被称作无水乙醇。

B100——100％（纯）生物柴油。

B20——生物柴油与石油柴油的混合物，其中20％为生物柴油。

生化转化——利用酶和催化剂实现生物材料化学转化，以生产能源产品。例如，利用微生物消化有机废物或废水生产乙醇的过程便是一种生化转化过程。

生物柴油——一种可生物降解的运输燃料，适用于柴油发电机，通过有机提取的油和脂肪之间发生酯交换反应而产生。生物柴油现在是柴油燃料的组成部分。将来也许能够取代柴油。

生物量——可用于生产能量的可再生有机物质，例如农作物、作物废物残留、木材、动物和城市废物、水生植物、菌类生长等。

英制热单位（Btu）——衡量热能的标准单位。1Btu等于在海平面上把一磅水升高一华氏度所需的热量。

二氧化碳（CO2）——一种燃烧产物，近年来已经成为环境关注的焦点。二氧化碳并不会直接危害人类健康，但却是一种温室气体，阻碍地球热量散发，导致全球变暖。

一氧化碳（CO）——一种无色无味的气体，氧气供应不足、燃料不完全燃烧时产生，例如摩托车引擎排放的气体。

碳固化——植物的叶和根从大气中吸收二氧化碳并将其储存；碳转变成土壤中的有机物。

纤维素乙醇——用树木、杂草和作物肥料制造的乙醇被称为纤维素乙醇。

单一燃料车辆——只用一种燃料的车辆。总的说来，由于单一燃料车辆只用一种燃料，设计时可以实现针对该燃料的最优化，因而专用车辆的排放和表现都更加突出。

工业酒精——含有少量有毒物质的乙醇，例如甲醇或汽油，其有毒物质通常不易通过化学或物理方法除去。工业用途的酒精都必需经过变性处理，不然，则需缴纳联邦酒精饮料税。

E10——酒精混合物，含有10％酒精和90％无铅汽油。

E85——酒精/汽油混合物，含有85％工业酒精和15％汽油。

乙醇——可以通过乙烯化学反应产生，也可以通过发酵农作物和作物树木纤维残留物中碳水化合物所含的糖而产生。在美国，其作为汽油辛烷添加剂和氧化剂使用。当浓度达到10％时，可将辛烷从2.5提高到3.0。乙醇还可以在优化改造的替代燃料汽车中以更高的浓度使用。

给料——任何转变为其它形式燃料和能源产物的材料。例如，玉米淀粉可以作为乙醇生产的给料。

发酵——微生物对糖等有机物的酶转化。通常有气体产生，例如葡萄糖发酵产生乙醇和二氧化碳。

可适用多种燃料汽车——带有普通燃料箱，但该种车辆能使用无铅汽油与乙醇或甲醇各种比例混合的燃料。

基础设施——通常指的是替代燃料车辆的加油和加燃料网络，这对于替代燃料车辆的开发、生产、商业化和运作非常重要。具体包括燃料供应、公共和私有加油加燃料设施、加油站的具体标准、客户服务、教育和培训以及建立规范条规。