认识氢氧燃料电池

❖ 阳极 H2 2H+ +2e阴极 1/2O2 +2H+ +2e- H2O 电池反应 H2+ຫໍສະໝຸດ Baidu/2O2 H2O(纯水)
❖ 由于电荷的积累，外电路接通后有直流 点通过并可以持续。氢气可以从天然气等燃 料中分离出来（目前科学家正试图通过太阳 能光解水来获得氢气，以提高其生产效率， 降低其生产成本），氧气可以直接用空气替 代，该电池反应条件温和且产物是无污染的 水，很有可能成为人类在能源危机上的突破。
❖ 为了降低重整气(富氢气体)中的CO浓度,采用选择性氧化法(PROX)是一 有效的途径.迄今的研究表明,Pt系催化剂是最具实用价值的选择性氧化 富氢气体中CO的催化剂.但是,需要使用高负载量的Pt,其负载量达 wPt=0.02~0·06[2~10],大大增加了催化剂的成本.此外,由于Pt对CO的强 吸附作用,即使少量的CO也可完全覆盖催化剂表面的Pt活性位,导致反应 需要在较高温度进行,因此,文献报道的最佳反应温度一般在200℃左右. 由于目前燃料电池的工作温度在50~125℃之间,必须降低重整气体的温 度,由此带来系统热量管理的复杂性问题.显然,如何降低催化剂的Pt含量, 同时改善低温活性,使其在接近燃料电池的工作温度下进行反应是PROX 技术得到应用的关键.Mergler等发现,Co对于CO的氧化有非常好的活性; 钴离子还具有增强Pt对其吸附的氧分子反馈电子的能力,从而促进氧的吸 附;另外,CoOx物种也可在反应中供氧.Epling等在研究以TiO2为载体的 Pt/Co/TiO2催化剂时发现,在30℃时富氢气体中的CO已被完全转化,选择 性为40%,但是,当温度升至100℃时,CO转化率已下降至60%,而且该催化 剂的抗H2O和CO2的能力也很弱.Teng等的研究表明,CoO可在100℃将 富氢气体中的CO几乎完全转化,但当进料中含H2O为φH2O=0.03时,CO 完全转化温度即升高至130℃.近来,Farrauto等将氧化铁添加到Pt/γAl2O3,考察其对富氢气体中CO的氧化活性;研究发现,氧化铁具有提供活 泼氧的作用,在90℃时CO的转化率达100%,但是该催化剂中Pt的负载量 依然较高(wPt=0.05).上述研究表明,过渡金属(特别是Co)对改善Pt系催化 剂的低温活性有明显的作用.但是,尚未有将Co引入Pt/γ-Al2O3催化剂用 于富氢气体中CO选择性氧化的报道.
认识氢氧燃料电池
❖ 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直
接转变为电能的发电装置，它是一种绿色能源， 受到高度重视。在兆瓦(MW)级陆上燃料电池 大型发电站取得成功后，正向交通工具电力推 进的新型能源方向研发。燃料电池具有效率高、 噪声低、对大气污染少、负载特性好、安装自 由度高等多种优点。因此，各国都在全力以赴 进行开发研究。
❖ 全氟磺酸质子交换膜的原料是全氟磺酞树脂，由四氟乙烯 (TFE)与全氟磺酞烯醚单体(PSVE)共聚而成成。全氟磺酸质 子交换膜由DuPont公司在20世纪60年代为用于氯碱工业而 合成的，后来又被用于质子交换膜燃料电池领域。目前已经 用于质子交换膜燃料电池实验的全氟磺酸质子交换膜主要有 Nafion系列膜(美国Dupont公司)，包括NE一1110、N一117、 N一115、NE-一155和N一122等;Aeiplex系列膜(日本 AsahiChemieal公司);Flemion系列膜(日本AsahiGlass公 司);Dow膜(美国DowChemical公司)和日本工程公司的C膜。
❖ 燃料电池工作原理简单:电池有两个特殊材料 制成的电极（目前常用的是Pt电极），其间 充填了电解质以及特殊催化剂，在一极上供 以氧气，另一极上供以氢气，在催化剂的作 用下，氢气转变为质子和电子，质子通过两 极间的质子交换膜到另一极，电子通过外电 路也到达另一极与氧气反应，生成水。其电 极反应方程式与总反应方程式如下：
❖ 目前我国的氢氧燃料电池技术还不够成熟，
极大的受限于国外的新技术，新理念。谁能 找出新的膜材料，更加有效的催化剂，谁能 将制氢更好的工业化，谁就能创造出21世纪 的新的能源变革，这是一项诱人而又极具挑 战性的工作，相信不久的将来我们就不再为 能源担忧，我们的身边就不再有污染。
❖ 实验条件研究表明，在Pt/γ-Al2O3催化剂中 添加钴可显著降低Pt的用量和改善低温活性. 当Co添加量为wCo=0.015~0.03时,在Pt含量 为wPt=0.01的催化剂上,于120℃和 O2/CO=1.0时,CO转化率可达到99%以上,此 时O2的选择性为47%.
❖ 添加Co的Pt/γ-Al2O3催化剂中存在不完全还 原的CoOx,对Pt的电子性能产生影响,使之较 难还原,并削弱CO在Pt上的吸附
❖ 目前研究的比较多的是质子交换膜燃料电池 （PEMFC），由于反应中质子通过选择性要 求很高，所以该课题仍被广泛研究之中。质 子交换膜电池的工作原理可以用简图表示：
❖ 通过分析该电池的工作原理，膜，催化剂， 电极，以及制氢成为该项课题的关键点所在
❖ 目前应用的质子交换膜主要是全氟磺酸质子交换膜
❖ 国内的中科院有机所和上海三爱富公司进行了Nafion树脂与 膜的仿制研究，但仿制产品的性能与实际应用尚有差距。目 前国内全氟磺酞树脂依赖于进口，导致质子交换膜成本过高， 已经成为了国内PEMFC开发的瓶颈。
❖ .由于目前太阳能光解水制氢技术还未成熟，
通常要通过甲醇或水蒸气的重整技术制氢， 以致其中往往含有超标的CO，即使经过水煤 气变换反应后,其浓度仍在φCO=0.01左右.由 于CO对低温燃料电池的Pt电极有毒化作用,会 造成电池效率下降,所以对用于质子交换膜燃 料电池(PEMFC)的氢气,严格要求其中的CO 浓度不能高于φCO=1×10-6[1].