Download
1 / 12
120 likes | 291 Vues
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。.
E N D
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。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。
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：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：
阳极 H2 2H+ +2e- 阴极 1/2O2 +2H+ +2e- H2O 电池反应 H2+1/2O2 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。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。
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：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：
目前应用的质子交换膜主要是全氟磺酸质子交换膜目前应用的质子交换膜主要是全氟磺酸质子交换膜 • 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。 • 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]..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].
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/γ-Al2O3,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.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/γ-Al2O3,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.
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%.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。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。
