質(zhì)子交換膜燃料電池

1、電催化電催化質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池什么是電催化？什么是電催化？例子：v我們舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：在陰極上由氫電極反應(yīng)生成氫的反應(yīng)。以pt或pd為電極陰極時(shí)，從平衡電位（按nerst公式）附近開始，就能觀察到反應(yīng)電流。而以hg或pb為電極，在外加電壓達(dá)到1伏時(shí)才能觀察到反應(yīng)電流。顯然pt和hg電極對(duì)這個(gè)反應(yīng)的速度影響不同。研究發(fā)現(xiàn)，兩者之比可高達(dá)1011倍。電解水時(shí)，為獲得氫非用pt或pd電極不可，而使用hg或pb電極，對(duì)氫的生成只有抑制作用。這里pt或pd電極即為電催化劑電催化劑。 nerst公式公式)(lniizfrtia返回v電催化劑（electro catalyst），使化學(xué)反應(yīng)

2、速度和選擇性發(fā)生變化的電極。這樣的電化學(xué)反應(yīng)稱為電催化反應(yīng)（electro catalysis）。v我們?cè)谌粘Ｋ姷碾姶呋磻?yīng)中，通常都是以電池的形式出現(xiàn)。 什么是燃料電池？什么是燃料電池？ v燃料電池是一種把儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，等溫地按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。v燃料電池是由含催化劑的陽(yáng)極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成。燃料在陽(yáng)極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽(yáng)極通過(guò)負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電能而驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。v燃料電池與常規(guī)電池不同在于，它工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能；只要保持燃料供應(yīng)，電池就會(huì)不斷工作提供電能。燃料電

3、池有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，污染少，高效節(jié)能，可靠性好，比能量和比功率高等，這些優(yōu)勢(shì)讓它成為繼火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電技術(shù)之后的第四代化學(xué)能發(fā)電技術(shù)，將會(huì)有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)燃料電池有很多種分類方法，根據(jù)電解質(zhì)的不同，我們可以分為以下六類：電池類型電池類型 工作溫工作溫度度/ 燃料燃料 氧氧化化劑劑 特特 點(diǎn)點(diǎn) 技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用 堿性燃料電池(afc) 室溫200純氫 純氧 能量轉(zhuǎn)化效率高；高比功率；高比能量；但不適合在地面上應(yīng)用。 高度發(fā)展，20世紀(jì)60年代已在航天中成功應(yīng)用，可作為特殊地面應(yīng)用。 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜燃料電池燃料電池(pemfc) 室溫

4、室溫100 純氫純氫凈化凈化重整氣重整氣氧氣氧氣空氣空氣 可室溫快速啟動(dòng)；無(wú)電解液可室溫快速啟動(dòng)；無(wú)電解液流失；水易排出；壽命長(zhǎng)；流失；水易排出；壽命長(zhǎng)；比功率與比能量高。比功率與比能量高。高度發(fā)展，適用于分散電站、電動(dòng)車、高度發(fā)展，適用于分散電站、電動(dòng)車、潛艇推動(dòng)、各種可移動(dòng)電源、家庭動(dòng)潛艇推動(dòng)、各種可移動(dòng)電源、家庭動(dòng)力源。已有電動(dòng)車樣車，需降低成本，力源。已有電動(dòng)車樣車，需降低成本，盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。直接甲醇燃料電池(dmfc)室溫200ch3oh空氣正在開發(fā)。適宜為手機(jī)、筆記本電腦等供電。磷酸燃料電池(pafc)100200重整氣空氣建分散電站運(yùn)行可靠度高，但啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，成

5、本高，余熱利用價(jià)值低。高度發(fā)展，適用于特殊需求、區(qū)域性分散電站。熔融碳酸鹽燃料電池(mcfc)600700凈化煤氣重整氣天然氣空氣具有建立分散電站的優(yōu)勢(shì)，余熱利用價(jià)值高。適宜建區(qū)域性分散電站，正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，需延長(zhǎng)壽命，才能有競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。固體氧化物燃料電池(sofc)8001000凈化煤氣天然氣空氣全固體結(jié)構(gòu)，無(wú)使用液體電解質(zhì)帶來(lái)的腐蝕和電解液流失問(wèn)題，可望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行，高工作溫度是其技術(shù)難點(diǎn)。適宜建造大、中型電站、分散電站，電池結(jié)構(gòu)選擇開發(fā)廉價(jià)制備技術(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（pemfc） v質(zhì)子交換膜燃料電池（pemfc）由兩塊多孔電極組成。電極一側(cè)負(fù)載催化劑，粘結(jié)

6、在質(zhì)子交換膜上構(gòu)成膜-電極集合體。多孔電極另一側(cè)與極板接觸，極板制成槽形以便燃料和氧化劑氣體通過(guò)。這些極板同時(shí)也作集流體使用，與電極的電接觸可通過(guò)這些有流體流場(chǎng)的極板實(shí)現(xiàn)。vpemfc的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：工作溫度低，其最佳工作溫度為80左右，但在室溫下也能正常工作，因而啟動(dòng)性能好，能量密度和功率密度高，無(wú)腐蝕性，電池堆設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)堅(jiān)固耐用。v同時(shí)也有很多急待解決的問(wèn)題，例如：對(duì)co敏感，需使用貴金屬催化劑，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須解決成本及氫源問(wèn)題等。pemfc的工作原理的工作原理 vpemfc以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，pt/c 或ptru/c為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，

7、帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板。 vpemfc的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。陽(yáng)極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)vh2 2h+ + 2e-v該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則經(jīng)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極。氧氣在陰極與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水v1/2o2 + 2h+ + 2e- h2ov生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過(guò)電極隨反應(yīng)尾氣排出。v面對(duì)pemfc所需要解決的問(wèn)題，根據(jù)它的工作原理，我們可以通過(guò)改善它的電極催化劑改善它的電極催化劑來(lái)解決這些問(wèn)題。根據(jù)工作原理，我們知道，pemfc通常采用h2和o2（或空氣）作為反應(yīng)氣體。其電極反應(yīng)生成物是h2o，陽(yáng)極反應(yīng)

8、為h2的氧化反應(yīng)，陰極反應(yīng)為o2的還原反應(yīng)。為了加快電化學(xué)反應(yīng)的速度，氣體擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑，電極催化劑電極催化劑包括陰極催化劑和陽(yáng)極催化劑兩類包括陰極催化劑和陽(yáng)極催化劑兩類。v對(duì)于陰極催化劑陰極催化劑，研究重點(diǎn)一方面是改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，提高催化劑的利用率；另一方面是尋找高效廉價(jià)的可替代貴金屬的催化劑。一些催化劑在h3po4或koh中缺乏足夠的穩(wěn)定性，而在聚合物電解質(zhì)中可能是穩(wěn)定的。因此，某些活性大環(huán)催化劑有可能促進(jìn)o2獲取4個(gè)電子而被還原。為了優(yōu)化這些有希望的電催化劑的活性與穩(wěn)定性，必須對(duì)電極動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究。同時(shí)，pemfc陰極電催化劑的研究還應(yīng)包括催化劑負(fù)載于各種穩(wěn)定基體上的情

9、況。v陽(yáng)極催化劑陽(yáng)極催化劑的選用原則與陰極催化劑相似。但陽(yáng)極催化劑應(yīng)具有抗co中毒能力，因?yàn)閜emfc對(duì)燃料氣中的co非常敏感。對(duì)于直接使用ch3oh（dmfc）或其他烴類燃料的pemfc系統(tǒng)，陽(yáng)極催化劑體系應(yīng)重新進(jìn)行研究，以使其在一定的電壓與電流密度條件下完成燃料的氧化過(guò)程。在低于200的溫度條件下，pt的催化氧化活性和穩(wěn)定性（抗co中毒能力）并不太好，因此在進(jìn)一步研究陽(yáng)極催化劑是，應(yīng)考慮采用新的催化劑體系，如pt-ru合金或負(fù)載型pt-ru合金催化劑。v目前，pemfc主要采用pt作為電催化劑，它對(duì)于兩個(gè)電極反應(yīng)均具有催化活性，而且可長(zhǎng)期工作。但是pt的價(jià)格昂貴，資源匱乏，這使得pemfc

10、的成居高不下，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。 vpemfc電催化劑研究的兩個(gè)主要問(wèn)題是：v提高pt的利用率，降低其擔(dān)載量；v尋找新的價(jià)格較低的非貴金屬催化劑。v應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，除了催化劑本身的性質(zhì)對(duì)電極反應(yīng)起決定性的作用外，其他一些因素如電池工作溫度、電極制作工藝、催化劑制備方法和催化劑載體的選擇等對(duì)催化劑的催化效果也有很大的影響。v一些科學(xué)家根據(jù)燃料電池電催化劑的3個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，即穩(wěn)定性、電催化活性及選擇性，開發(fā)了一批新型催化劑 。例如：v合金催化劑 v金屬氧化物催化劑v 有機(jī)螯合物催化劑合金催化劑合金催化劑v包括二元合金pt-ru , pt-sn, pt-pd等，其中pt-ru合金催化劑是目前研究最

11、為成熟應(yīng)用最為廣泛的抗co催化劑；三元合金pt-ru-w, pt-co-w, pt-ni-w, pt-mn-w和pt-ru-nb 等，實(shí)驗(yàn)表明這幾種催化劑對(duì)h2/co的活性都高于pt-ru；四元合金pt-ru-sn-w等，半電池實(shí)驗(yàn)證明其活性優(yōu)于pt催化劑。 返回金屬氧化物催化劑金屬氧化物催化劑 vwhite j. m. 和sammells a. f.對(duì)abo3型金屬氧化物作為ch3oh氧化的催化劑最早進(jìn)行了研究，abo3中的a和b分別代表：a = sr, ce, pb, la; b = co, pt, pd, ru等。j. m. zen 等研究了pb2ru2-xpbyo7-y在氧化還原反應(yīng)中

12、的活性。r. manoharan等考察了cro2在不同ph值時(shí)還原o2活性。 返回有機(jī)螯合物催化劑 v有機(jī)螯合物屬有機(jī)電催化劑，是一些含過(guò)渡金屬中心原子的大環(huán)化合物，如含有fe, co, ni, mn的酞菁或卟啉絡(luò)和物。有機(jī)螯合物的優(yōu)良電催化性能是由于它能促進(jìn)h2o2分解，使o2在陰極上按四電子反應(yīng)途徑進(jìn)行，從而使電池的工作電壓提高。tamichamani等研究了在不同的溫度下熱解的酞菁鈷對(duì)氧化還原反應(yīng)的活性。有機(jī)螯合物催化劑 vbiloul等對(duì)鈷卟啉（tpoch3ppco或c0tmpp及其衍生物）和四氮雜烯鈷(cotaa)在不同溫度下進(jìn)行熱處理后，研究了它們?cè)趐emfc中作為陰極的活性和穩(wěn)定

13、性。lalande 等人把在不同溫度下進(jìn)行熱處理后的酞菁鐵（fepc）、四羧酸酞菁鐵（fepctc）、酞菁鈷（copc）、四羧酸酞菁鈷（copctc）、四苯卟啉鈷（cotpp）和四苯卟啉鐵（fetpp）負(fù)載到碳黑上作陰極催化劑進(jìn)行pemfc實(shí)驗(yàn)，研究了其活性和穩(wěn)定性。返回那么目前，燃料電池電催化劑的那么目前，燃料電池電催化劑的選擇與設(shè)計(jì)通過(guò)那些途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇與設(shè)計(jì)通過(guò)那些途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？呢？第一個(gè)途徑第一個(gè)途徑v基于活化模式的考慮.與普通多相催化一樣反應(yīng)物分子在電催化劑表面進(jìn)行有效的化學(xué)吸附是電催化過(guò)程分子活化的前提?；瘜W(xué)吸附分為締合吸附和解離吸附兩種類型，如h2，分子在金屬催化劑表面處于一定溫

14、度f(wàn)可以解離吸附，解離后的原子氫可在金屬表面有移動(dòng)自由度。研究表明，在陽(yáng)極表面有效范圍，特別是在高比表面積的pt電催化劑上，許多有機(jī)物分于可以產(chǎn)生解離吸附，生成一個(gè)或數(shù)個(gè)吸附氫原子，是反應(yīng)物分子活化的卞要途徑。第二個(gè)途徑第二個(gè)途徑v基于催化反應(yīng)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的考慮。在考慮分子活化過(guò)程中，吸附鍵強(qiáng)度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，它對(duì)催化活性有很大的影響。對(duì)于有效的催化過(guò)程，大量的催化反應(yīng)實(shí)踐概括出這樣一條規(guī)律：反應(yīng)物分子在催化劑表面上形成的吸附鍵強(qiáng)度只許位于一適宜的范圍，吸附鍵太強(qiáng)或太弱都是不適宜的。當(dāng)中間態(tài)粒子具有適中的能量、適中的吸附鍵強(qiáng)度時(shí)往往可以有最高的催化反應(yīng)活性。第三個(gè)途徑第三個(gè)途徑v基于材料“電子因素”和“幾何因素”的考慮。根據(jù)鍵合理論已知，金屬催化劑的催化活性是與其d軌道狀態(tài)聯(lián)系在一起的。這種狀態(tài)特征可以用能帶理論的d軌道填充分?jǐn)?shù)來(lái)表示，也可以用pauling的d-%特征來(lái)表示。根據(jù)pauling的金屬理論，金屬金屬鍵中的d-%特征可看作是原子空閑d軌道用于化學(xué)吸附的利用率的度量標(biāo)準(zhǔn)，這就是電催化中通常所說(shuō)的“電子因素”，它被廣泛用來(lái)解釋金屬催化活性，指導(dǎo)電催化劑設(shè)計(jì)。v就pemfc電催