PEMFC催化剂调研报告.docVIP

word可编辑 PAGE 2 . 第一章 绪论 PEMFC催化剂调研报告 1 PEMFC概述 燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反响方式变为电能的发电装置, 它作为一种能源利用的新技术，具有洁净、高效的特点。燃料电池技术被认为是21世纪最为重要的新能源技术之一，最有可能的石油替代技术。其中，低温燃料电池因具有工作温度低，启动快，能量转化率高等特点，是野外电站、电动汽车、便携式电源的理想替代电源，受到广泛的重视低温燃料电池，它是指低温下使用质子交换膜工作的燃料电池，包括 H2/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开展方向。 1.1 PEMFC工作原理 PEMFC结构和工作原理如图1所示，工作时，阳极通过管道或导气板供应燃料〔H2〕到达阳极，发生氧化反响，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应氧化剂〔如空气〕，发生氧复原反响〔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响生成水。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响和总反响如下： 阳极反响: H2 → 2H+ + 2e- 〔1-1〕 阴极反响: 1/2 O2 + 2H+ + 2e-→ H2O 〔1-2〕 总反响：H2 +1/2 O2 →H2O+ Q1+ Q2 〔1-3〕 Q1 为反响过程中释放的电能，Q2 为反响过程中释放的热能。 图1 质子交换膜燃料电池的工作原理 1.2 PEMFC催化剂概述 催化剂是一种物质，它能够改变反响的速率而不改变该反响的标准Gibbs自由焓变化，这种作用称为催化作用，涉及催化剂的反响为催化反响催化剂在工业上又叫触媒。催化剂按照不同的角度可以有不同的分类。按照催化剂和反响物的物相分，可以分为均相催化剂，多相催化剂和生物催化剂。多相催化剂又称非均相催化剂，是指用于多相反响体系的催化剂，即催化剂和反响物属于不同物相，催化反响在其相界面上进行。通常，从活性、选择性和稳定性三个方面来评价贵金属催化剂性能。 PEMFC通常采用氢气和氧气〔或空气〕作为反响气体，其电池反响生成物为水，阳极为氢的氧化反响，阴极为氧的复原反响。PEMFC电极为典型的气体扩散电极，电极上都含有一些催化剂可以加快电化学反响的速率。因此，电催化剂是完成电极反响的关键，其性能上下对于MEA的工作性能具有决定性作用。电极的催化剂包括阳极催化剂和阴极催化剂两类。对PEMFC电催化剂的根本要求包括以下几点：〔1〕催化活性高：在通常情况下，电极反响的势垒很高。因此需要找到能够降低反响势垒，具有催化活性的物质作为催化剂，使反响能顺利进行；〔2〕比外表积高：该催化反响是在相界面上进行的反响，因此要尽量增加催化剂的比外表积，以提高催化剂的利用率；〔3〕良好的导电性好：PEMFC是电化学体系。催化剂既是电化学反响的场所，又是电子传导的起点或终点。需要催化剂和载体材料有良好的导电性来传输电子；〔4〕化学和电化学稳定性好：PEMFC的电催化工作条件为在一定的温度、强酸性环境、强氧化〔阳极〕和强复原〔阴极〕条件下，所以要求催化剂要有良好的化学稳定性。此外，由于 PEMFC 所采用的燃料如重整气中含有 CO 等杂质，所以所采用的电催化剂还应该具有抗 CO 中毒的能力；〔5〕廉价：贵金属Pt是目前最为广泛采用的电催化剂，但由于Pt价格昂贵，且储量少，制约了燃料电池的推广应用；〔6〕恰当的载体：催化剂的载体对催化性能有很大的影响。载体的稳定性和寿命直接影响催化剂的稳定性。载体的导电性决定催化剂的导电性。载体与催化剂金属颗粒间的相互作用会改变催化剂的活性和选择性。 迄今为止，PEMFC仍主要采用Pt作为电催化剂，它对于两个电极反响均具有催化活性，且可长期工作。由于铂的价格昂贵，资源匮乏，使得PEMFC本