PEMFC催化剂调研报告.doc

PEMFC催化剂调研报告 2/O2质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲酸燃料电池（DFAFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）等。目前，质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术取得了重大的突破成为燃料电池众多种类中最有希望实现商业化的低温燃料电池之一。 PEMFC为适用范围最广的燃料电池类型之一，主要包括固定式电源和移动式电源两类。固定电源：PEMFC可以做成任意规模的发电装置，适宜作为分散型电站，可以与电网供电系统共用，主要用于调峰，也可以作为分散型主供独立电源。移动式电源：PEMFC具有工作温度低、启动速度快、功率密度高和体积小等特点，可以用作车用动力源及一些便携小型移动电源。其中，PEMFC电动车被公认为是电动车的未来发展方向。 1.1 PEMFC工作原理2）到达阳极，发生氧化反应，氢在阳极分解成带正电的氢离子和带负电的电子，而质子穿过质子交换膜电解质到达阴极；电池的另一端，阴极通过管道或导气板供给氧化剂（如空气），发生氧还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）。同时，电子通过外电路流向阴极，最终，氧气与氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过连接负载输出电能。具体的半电池电化学反应和总反应如下： 阳极: H2 → 2H+ + 2e- （1-1） 阴极: 1/2 O2 + 2H+ + 2e-→ H2O （1-2） 总反应：H2 +1/2 O2 →H2O （1-3） Q1 为反应过程中释放的电能，Q2 为反应过程中释放的热能。 图1 燃料电池工作原理 1.铂贵金属催化剂的大量使用是限制燃料电池技术发展的关键问题2甚至更低；2、二元或多元催化剂，Pt与合金元素Ru、Cr、Co、Ni、Fe、Cu、Mn、Pd和Sn等组成二元或多元催化剂，可显著提高电池性能；3、非铂系催化剂，非铂系催化剂目前还处于研究初期，其催化活性还很低，但是作为一种廉价的催化剂发展前途不容小视，其中金属碳化物和钙钛矿类氧化物是比较有发展前景的两类非铂系催化剂材料。目前，PEMFC催化剂研究的两个主要方向是：（1）提高铂利用率；（2）寻找新的价格低廉的非贵金属催化剂。 1.3 PEMFC阴极氧还原理论 氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）为PEMFC的阴极反应，其反应机理复杂，中间包含很多路径，过程中容易形成一系列的含氧中间产物，导致能量转化效率降低。在动力学角度上，ORR可逆性差，具有较大的超电位，这使得通常H2/O2质子交换膜燃料电池的最大电压仅为1.0 V，低于理论上PEMFC的理想电位差1.229 V，而在实际工作条件下，电压一般小于0.8 V。氢气阳极氧化的过电位小于25 mV，而阴极氧还原的过电位在中等电流密度下（＜1.0 A/cm2）为0.3到0.4 V，造成很大的能力损失。因而，探讨ORR的反应机理，寻找合适电催化剂是降低阴极过电位，提高燃料电池效率的有效方法。 氧还原有两种途径：一种是四电子过程直接生成 OH-（碱性条件）或水（酸性条件），不生成 H2O2。另一种是二电子过程，即 O2先被还原成吸附的 H2O2，H2O2很不稳定，再继续还原成 OH-（碱性条件）或水（酸性条件）。两种 O2→H2O 过程的区别是O-O键是否在过氧化氢形成之前断裂。O2分子中 O-O 键的解离能为 494 kJ/mol，而H2O2中的 O-O 键的解离能仅146 kJ/mol，因此在这两种反应机理中，“直接四电子”机理反应的势垒比较高，而“二电子”反应的势垒相对较低。使得氧的还原反应基本上是按照完全的“二电子”机理或者“二电子”与“直接四电子”相结合的机理进行。因而，探讨ORR机理，寻找合适的高活性ORR催化剂，是降低阴极过电位，从而提高电池效率的有效方法。 1.4 PEMFC阳极氧还原理论 H2在阳极氧化成 H+并放出电子，H+通过膜转移到阴极，与 O2和电子反应生成水。氢氧燃料电池中电极与电池反应如下： 阳极: H2 → 2H+ + 2e- （1-1） 阴极: 1/2 O2 + 2H+ + 2e-→ H2O （1-2） 总反应：H2 +1/2 O2 →H2O （1-3） 式中各物质的热力学数据如下表所示，反应过程中转移电子数为1。 表 1 H2、O2和 H2O 的热力学数据 当反应在室温 298.15 K，101325 Pa 下进行时，反应的Gibbs自由能变为-237.2 kJ，该电池的可