氢氧燃料电池的研究进展

化 学 工 程 师 Chemical Engineer 20O2年 08月 综 述 文章编号 ：1002—1124(2002)O4—0041—02 氢氧燃料电池的研究进展 杜 华 解 磊 {1．哈尔滨师范大学化学系；2．哈尔滨理工大学 150080) 摘 要 ：本文介绍 了氢氧燃料 电池的工作原理 、研究现状及最新进展 ，认为氢氧燃料电池是 目前较理 想的燃料电池 ，有广阔的发展前景 。 关键词 -氢氧燃料电池 ；研究 ；进展 中图分类号 ：TQ038、l 文献标识码：A Progress in Research O11 Hydrogen—Oxygen Fuel Cell Du Hua X／e Le／ (Department of Chemistry，Harebin Normal University 150080；Harbin Technology Engineering University 150080) Attstra~ ：Working priciple．ctln'~nt research situation and latest progress of hydrogen—oxygen fuel cell are intro- duced．Fuel cell 0f this kind is regarded as a prefect one so far。with bright prospect tO be expected． Keywords：Hydrogen—Oxygenfuel cell；Research；Progl~ 1 前言 随着全世界现代工业的迅猛发展，自然界所能 供给能源的 13渐枯竭和世界各国对环境保护的13益 重视，燃料电池作为一种清洁 、高效、安全的新能源 显示出了广阔的、诱人的市场开发前景。 燃料电池工作时燃料并非直接燃烧 ，而是通过 电化学发电装置发电，其效率不受卡诺循环 限制。 所以能量转换效率 高，理论上可 以高达 83％，一般 实际效率可达 6o％以上，远高于普通火力发 电，是 普通工作条件下内燃机实际效率的 2～3倍。燃料 电池可 【直接使用天然气和氢气等可燃气体作 为 “燃料”，也可以使用甲醇、乙醇等液体作为“燃料”， 其中以氢气作为原料气的氢氧燃料电池是最理想的 收稿 日期 ：20O2—06—06 作者简介 ：杜华 ，女，讲师。 化学电源，它工作时发生的电化学反应是氢气和氧 气化合成水 ，反应产物是干净的水 ，对环境没有任何 污染。因此 ，氢氧燃料电池被称为“绿色发电机”，以 氢氧燃料 电池驱 动的电动汽车被称 为“零污染汽 车”。因此 ，世界各工业发达国家都在大力研究开发 氢氧燃料电池电动汽车。目前 ，已有少数欧美国家 的大汽车公司如德国的奔驰汽车公司等已制造出好 几辆以氢燃料电池为动力的公共汽车，现已投入正 常运营，预计 21世纪 中叶 ，这种零污染电动汽车将 会逐渐走向实用化和商品化。 2 氢氧燃 料 电池 的工作原理 燃料电池主要是由燃料、氧化剂 、电极 、电解质 组成 ，在结构上与传统的电池一样具有正负两极 ，正 属交换分子筛以及沸石结构的分子筛催化剂有所改 善，但还不够理想。Cu—SAPO一34催化剂是 目前为 止分子筛系列催化剂中性能最好的。今后的工作是 针对贫燃发动机和其他贫燃过程的燃烧特点 ，根据 体系的热力学特征和微观动力学机理分析，从载体 的材料和结构，金属和载体的相互作用等方面科学 地 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制备在氧过量 、高湿热 、so2存在情况下具 有高活性、高选择性的新 型催 化剂 ，以满足市场需 要 。 参 考 文 献 [1] E I：'0573672一A1 [2] R．Butch andT．C．Wading．J．Cata1．1997，169：45～54 [3] C．W％,erbauer et a1．，J．Cata1．2001，201：113～117 [4] Jen．H．W．U S P5744113，1998 [5] VladislavA．SadykOV，et a1．，J．Cata1．2001，200：l17～130 [6] 尉继英 ，马军 ，等 ．分子催化，2001，15(1)：1—5 [7] Torte—Abreu C．et a1．Al ied Catalysis B：Environment．1997，13 251—264 [8] Ta妇lIIlj Ishihara，et a1．J．Cata1．1997，169：93～102 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 杜华等：氢氧燃料电池的研究进展 20G2年第4期 负电极被电解质分隔。以还原剂(氢作燃料)为负极 反应物 ；以氧化剂(氧气和空气)为正极反应物。为 了使燃料便于进行电极反应 ，要求电极材料兼有催 化剂的特性。可用多孔碳、多孔镍、铂 、钯等贵金属 以及聚四氟乙烯等作电极材料。电解质则有碱性、 酸性、熔融盐和固体电解质 以及高聚物质子交换膜 等。 氢氧燃料电池的发电原理 ，当纯氢被送到负极 通道 ，由于负极催化剂的作用 ，供给的氢在负极上发 生氧化反应 ，释放出电子产生质子(H )，H2—2H2+ 2e，电子通过外电路流向正极，产生电流。质子通过 离子交换膜到达正极 ，两者与在正极供给的氧反应 生成水。2H 一1／2 02+2 2H20 氢气和氧气源源不断地送入 ，反应连续不断地 进行，于是在电池内就产生了持续电流。 3 氢氧燃料电池的研究现状 3．1 阴极催化剂 在现代的氢燃料电池 中，氢阳极氧化反应的动 力学问题容易解决。最大的损失发生在阴极。传统 的纯 Pt催化剂的氧化还原活性低 ，催化剂的使用量 大，故需研制新的高性能阴极催化剂，现已研究发现 组成最佳化的 Pt—Ni、Pt—C0、Pt—Fe合金。其氧化 还原活性为单一 n催化剂的 1O～20倍 ，是极有开 发前途的阴极催化剂材料。 3．2 燃料 H2的储存与供给技术 氢氧燃料电池主要用于汽车上取代汽油提供动 力，也部分用于家庭等供热，供电联合发电的电源。 但是以什么方式提供氢燃料却是一个全球 尚未取得 一 致 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 的问题，主要是缺乏安全、高效、经济、轻便 的储氢技术 ，各种现有供氢燃料的方式都各有优缺 点。一种是直接供给纯氢 ，这又分为高压贮罐供给 压缩氢 、以贮罐供给液态氢和用贮 罐合金释出所吸 藏的氢等三种方式 ，压缩氢需要大体积贮罐 ，不宜用 于小型车辆，液氢则需要保持在 一235℃低温的深冷 设备中，且易泄漏。这两种方式均有起火 、爆炸的潜 在危险，贮氢合金虽较安全 ，并可获得高纯度氢 ，不 足之处是贮氢密度略低 ，最近研究发现 NaBH4储氢 方式不但具有金属氢化物贮氢的优点 ，而且质量贮 氢密度大幅度提高，但整个制氢工艺路线 的可行性 。 如能效、经济性等问题还需科学工作者的进一步研 究。近年来科学家们发现纳米炭可能是一种优异的 储氢材料 ，并对其全面研究。其中纳米炭管、纳米炭 纤维等一维纳米材料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出优异的储氢性能，美 国 东北大学 Nellym．Rodniguez等发现碳纳米纤维(碳超 级海绵)能吸附 40％的氢 ，这是一项颇有发展前途 的技术突破。提供氢的另一种方式是使用甲醇等改 质氢 ，改质氢有两种制造方法 ，一是高温水蒸汽改 质 ，即水蒸汽重整制氢 ，这种方法制氢收率较高 ，但 反应是强吸热反应 ，反应时需要外部供热 ，热效率较 低，能耗较高，造成资源浪费。二是部分氧化改质 氢 。部分氧化法起动较快 ，但反应温度较高，制得的 氢纯度低 ，也不利于能源的综合利用。两者并用可 取长补短。早在 20世纪 70年代台湾清华大学学者 研究了甲醇氧化反应与水蒸汽重整制氢在同一反应 器中进行的制氢反应 ，已取得了重大进展，解决了外 供热效率低的问题 ，节省了能源。但是 ，不论那种改 质方法都会产生少量的 CO，而 CO使 Pt电极 中毒， 必须经过转换处理将改质氢中的 CO的质量分数降 至可允许的范围，故使用改质氢需要改质器、CO转 换器和去除设备，且其结构复杂，也是专家学者们研 究的主要课题。 4 氢氧燃料电池的应用前景 燃料电池在汽车方面的应用无疑是最主要的， 但在水机、便携式电脑、真空吸尘器等电子装置方面 的应用也有较大的研究开发价值。据报道，戴姆勒 — — 奔弛公司试制成好几种以氢为燃料的燃料电池 电动汽车。目前技术使用车上贮藏氢或由甲醇转化 成的氢 ，但现在正在研究可将各种不同燃料转变成 氢的“多种燃料加工系统”，所以目前在世界范围内 主要研究 目标在于开发能够快速启动，研制有效的 重整催化剂，降低重整产物中的 CO含量以及避免 燃料电池阳极催化剂中毒，更加有效实现氢氧燃料 电池系统中各个功能部件的有效匹配和集成 ，不断 降低操作成本 ，从而早 日实现该技术的市场化。 维普资讯 http://www.cqvip.com