燃料电池发展历程及研究现状.ppt

1 研究背景2 燃料电池3 催化剂4 表征方法5 展望 燃料电池综述 1 研究背景 1 1能源问题 1 2燃料电池1 3燃料电池催化剂 1 1能源问题 人类历史显示 能源技术的突破和创新都促进了社会的繁荣和人类的进步 1 1能源问题 目前我们所面临的是能源危机和环境污染等问题 1 1能源问题 燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的化学能转换为电能的能量转换装置 是一种绿色的能源技术 1 1燃料电池 美国 时代周刊 将燃料电池列为21世纪的高科技之首 在我国的科技发展规划中 燃料电池技术也被列为重要的发展方向之一 燃料电池发电是继水力 火力和核能发电之后的第四类发电技术 1 1燃料电池 燃料电池发电是继水力 火力和核能发电之后的第四类发电技术 1 1燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高 不受卡诺效率限制 清洁 环保 燃料电池不需要锅炉 汽轮机等大型设备 没有SOx NOx气体和固体粉尘的排放 1 1燃料电池的特点 可靠性和操作性良好 噪声低 所用燃料广泛 占地面积小 建厂具有很大灵活性 燃料电池的基本组成 阳极 阴极 电解质和催化剂 燃料电池的分类 按电解质的种类不同 有酸性 碱性 熔融盐类或固体电解质碱性燃料电池 AFC 磷酸燃料电池 PAFC 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 固体氧化物燃料电池 SOFC 质子交换膜燃料电池 PEMFC 1839年 1889年 20世纪60年代 1973年 1993年 1959年 燃料电池发展历程 目前 1839年 1839年 英国科学家Grove首先介绍了燃料电池的原理性实 1 1 GroveWR Phil Mag 1839 14 127 1889年 L Mond和C Langer以铂黑为电催化剂 以钻孔的铂为电流收集器组装出燃料电池 当工作电流密度为3 5mA cm 2时 电池的输出电压为0 73V 这个研究已经很接近现代的燃料电池了 2 2 衣宝廉 燃料电池 原理 技术 应用 第一版 北京 北京化学工业出版社 2000 1 4 1889年 20世纪60年代 燃料电池首次应用在美国航空航天管理局 NASA 的阿波罗登月飞船上作为辅助电源 为人类登月球做出了积极贡献 20世纪60年代 1959年 培根制造出能够工作的燃料电池 也就是一部燃料电池的5kW的焊接机 同年 Allis Chalmers公司也推出了第一部以燃料电池为动力的农用拖拉机 1973年 研究重点从航天转向地面发电装置 磷酸燃料电池 PAFC 熔融碳酸盐电池 MCFC 以及直接采用天然气 煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池 SOFC 作为电站或分散式电站相继问世 1973年发生石油危机后 世界各国普遍认识到能源的重要性 人们研究了以净化重整气为燃料的磷酸型燃料电池 PAFC 称为第一代燃料电池 以净化煤气 天然气为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池 MCFC 称为第二代燃料电池 还有固体氧化物电解质燃料电池 SOFC 称为第三代燃料电池 1973年 1993年 加拿大Ballard电力公司展示了一辆零排放 最高时速为72km h 以质子交换膜燃料电池 PEMFC 为动力的公交车 2 引发了全球性燃料电池电动车的研究开发热潮 2 PraterKB J PowerSources 1993 37 181 1993年 目前在PEMFC向商业化迈进的过程中 氢源问题异常突出 氢供应设施建设投资巨大 氢的贮存与运输技术以及氢的制备技术等还远落后于PEMFC自身的发展 20世纪末 以醇类直接为燃料的燃料电池成为了研究与开发的热点 受到了世界各国的广泛重视 并取得了长足的进展 目前 直接醇类燃料电池 直接甲醇燃料电池 DMFC 直接乙醇燃料电池 DEFC 直接醇类燃料电池 直接甲醇燃料电池 DMFC 最早于20世纪60 70年代分别由英国的Shell和法国的Exxon Alsthom提出 16 16 McNicolBD RandDAJ WilliamsKR Directmethanol airfuelcellsforroadtransportation JournalofPowerSources 1999 83 15 31 进入90年代后 美国 欧共体 加拿大 日本 中国等国家相继开展了对直接甲醇燃料电池的研究和应用方面的探索 直接醇类燃料电池 世界领先地位的研究机构美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 LosAlamosNationalLaboratory LANL 加利福尼亚工学院喷气推进实验室 JetPropulsionLabroratory 德国西门子 意大利CNR TAE研究院及英Newcastle大学等都在进行DMFC的研究 ntonucciV Directmethanolfuelcellsformobileapplications Astrategyforthefuture FuelCellsBulletin 1999 2 6 8 直接醇类燃料电池 诺基亚公司成功试制了使用直接甲醇燃料电池的蓝牙耳机 这种新型能源的耳机在续航能力上比常规的内置充电锂离子电池的蓝牙耳机提高2倍左右 19 19 沁梦 诺基亚推出使用燃料电池的蓝牙耳机 直接醇类燃料电池 克莱斯勒公司也生产出时速可达35kmh 1的DMFC电动汽车 直接醇类燃料电池 尽管对DMFC的研究已经取得了十分可喜的成绩 但其也具有很多不易克服的缺点如 1毒性高2会刺激人类神经 过量导致失明 21 FujiwaraN FriedrichKA StimmingU EthanoloxidationonPtRuelectrodesstudiedbydifferentialelectrochemicalmassspectrometry JournalofElectroanalyticalChemistry 1999 472 120 125 直接醇类燃料电池 3蒸汽与空气可形成爆炸性物质 4需由非再生的化石燃料获得 5易通过质子交换膜渗透到阴极 21 等 这些缺点使得世界各国科学家已开始寻找其他更好的燃料来代替甲醇 21 FujiwaraN FriedrichKA StimmingU EthanoloxidationonPtRuelectrodesstudiedbydifferentialelectrochemicalmassspectrometry JournalofElectroanalyticalChemistry 1999 472 120 125 直接醇类燃料电池 直接醇类燃料电池 直接乙醇燃料电池 DEFC 在酸性介质中乙醇的反应如下 阳极反应 C2H5OH 3H2O 2CO2 12H 12e E 0 087V阴极反应 3O2 12H 12e 6H2OE 1 229V总反应 C2H5OH 3O2 2CO2 3H2O E 1 142V 直接醇类燃料电池 直接乙醇燃料电池 DEFC 在碱性介质中乙醇的反应如下 阳极反应 C2H5OH 16OH 2CO32 11H2O 12e 阴极反应 3O2 6H2O 12e 12OH 总反应 C2H5OH 3O2 4OH 2CO32 5H2O 直接醇类燃料电池 直接乙醇燃料电池 DEFC 催化剂是燃料电池中关键材料之一 催化剂的成本占到燃料电池成本的1 3 直接醇类燃料电池 燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用 一般发生在电极与电解质的分界面上 燃料电池中的催化作用 催化剂是一类可产生电催化作用的物质 电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应 这种分离的催化特征 使得人们可以更好地优选不同的催化剂 燃料电池中的催化作用 评价催化剂的主要技术指标为稳定性 电催化活性 电导率和经济性 燃料电池中的催化作用 LSV CV 电化学中 催化剂 催化剂 催化剂最早由瑞典化学家贝采里乌斯发现 100多年前 有个魔术 神杯 的故事 催化剂 贝采里乌斯1836年 他还在 物理学与化学年鉴 杂志上发表了一篇论文 首次提出化学反应中使用的 催化 与 催化剂 概念 催化剂的分类 按状态可分为 液体催化剂固体催化剂 催化剂的分类 按照反应类型又分为聚合 缩聚 酯化 缩醛化 加氢 脱氢 氧化 还原 烷基化 异构化等催化剂 催化剂的分类 按反应体系的相态分为均相催化剂和多相催化剂 催化剂的分类 均相催化剂有酸 碱 可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂 催化剂的分类 多相催化剂有 金属催化剂 金属氧化物催化剂 络合物催化剂 稀土催化剂 分子筛催化剂 有机碱催化剂 生物催化剂 纳米催化剂等 研究金属化学键的主要理论 能带理论可用特定的参量与金属的化学吸附和催化性能相关联 金属催化剂 金属催化剂 金属氧化物催化剂 金属能带模型提供了d带空穴概念 并将它与催化活性关联起来 d空穴越多 d能带中未占用的d电子或空轨道越多 磁化率会越大 金属能带 金属催化剂 金属氧化物催化剂 磁化率与金属催化活性有一定关系 随金属和合金的结构以及负载情况而不同 从催化反应的角度看 d带空穴的存在 使之有从外界接受电子和吸附物种并与之成键的能力 金属能带 金属催化剂 金属氧化物催化剂 但也不是d带空穴越多 其催化活性就越大 因为过多可能造成吸附太强 不利于催化反应 金属能带 燃料电池催化剂 铂被证明是用于低温燃料电池的最佳催化剂活性组分 Pt Pd作为贵金属的一种都是具有空的d轨道 能够与很多带电物种发生吸附作用 并且强度适中 形成活性物种而促进反应的进行 Pt基 Pt Co CVsofNP PtCoandPt CmodifiedGCEsin0 5MH2SO4 1 0MC2H5OH Pt基 Pt Co Pt基 Pt Fe andPt Crecordedat0and13500cyclesinAr saturated0 1MHClO4solutionatasweeprateof50mVs 1 燃料电池催化剂 除此以外Pt Pd等贵金属具有更好的抗氧化 抗腐蚀 耐高温等特点 能适应恶劣的反应条件 1 Pt资源匮乏 2 价格昂贵 3 抗毒能力差 燃料电池催化剂 1采用Pt与其他金属的合金化 2采用Pt单层修饰其他金属或者核壳结构的方法 燃料电池催化剂 3研究非Pt低Pt催化剂材料 非铂催化剂在酸性直接醇类燃料电池中的研究非铂催化剂的研究 主要采用Pd基或Ru基掺杂其他金属制备催化剂 研究非Pt低Pt催化剂材料 Pd基 Pd基催化剂不仅比Pt便宜 而且Pd资源储量丰富 虽然Pd对氧还原 ORR 催化活性不如Pt好 但是Pt Pd合金能够在一定程度上缩小CO中毒作用 Pd基 Pd Cu Pd基 Pd Cu CVsofnp Pd75Cu25atdifferentscancyclesin1 0MH2SO4solution Pd基 Pd Cu lsv Pd基 Pd Fe Cyclicvoltammogramsoftheas preparedelectrocatalystsin a 0 5molL1H2SO4 1 0molL1CH3OHand Pd基 Pd Co CVsofNPPdCo Pd C andNPPdcatalystsin0 5mH2SO4 0 5mHCOOHsolution Scanrate 50mVs1 Pd基 Pd Ni CVsofPt CinN2 purged0 1MHClO4solutionwithoutandwith0 1Mmethanol Pd基 Jose 等合成了两种非铂催化剂Pd Co Au C和Pd Ti C 在质子交换膜燃料电池氧还原中的活性与现在常用的Pt催化剂活性相当 Pd基 Wang等采用有机溶胶法合成了PdFeIr C催化剂 研究表明Fe和Ir的添加 大大增加了催化剂的分散性 从而提高了催化剂的活性 该催化剂表现出较高的氧还原能力和较好的耐甲醇性能 Pd基 Rice等证实了用Pd做阳极催化剂的性能用于甲酸做燃料比用于甲醇氧化活性好很多 催化剂载体对催化剂活性影响很大 Pd基 Rice等证实了用Pd做阳极催化剂的性能用于甲酸做燃料比用于甲醇氧化活性好很多 催化剂载体对催化剂活性影响很大 Pd基 非碳载Pd在30 的直接甲酸燃料电池 DFAFC 中 Pd的载量高达8mg cm2时 产生的最大功率密度为271mW cm2 Zhu等报道了非碳载的Pd和Pt分别做阳极和阴极催化剂输出功率密度分别为76mW cm2和99mW cm2 Pd基 Liu等通过微波加热法制备了Pt C和Pd C催化剂 用透射电子显微镜法 TEM 和X射线衍射光谱法 XRD 对催化剂进行了表征 Pt和Pd纳米粒子的平均粒径分别是4nm和5nm 发现Pd C催化剂比Pt C催化剂对甲酸表现更好的电催化氧化活性 Pd基 Shen等利用微波交替加热法制备了Pd CNT电催化剂 发现在碱性溶液中显示了良好的甲醇催化氧化性能 与Pt C相比 氧化电位负移了100mV左右 Ru基 Colmenares等合成用Se修饰的Ru C催化剂 RuSey C 应用于直接甲醇燃料电池 DMFC 阴极催化 结果表明在0 6 0 8V电压下 少量甲醇的存在对于RuSey C催化氧还原影响较小 说明这类催化剂具有较好的抗甲醇性能 制备方法 化学制备方法一般是从贵金属盐或氧化物开始 通过化学还原得到纳米尺度的金属粒子 为从下至上 Bototm一Pu 的方法 而物理方法常是将块状的金属通过物理的手段粉碎至纳米尺寸 为从上至下 Top一down 的方法 制备方法 化学 物理 固相反应法 有机溶胶法 去合金法 离子液体法 微波法 化学还原法 嵌电位沉积法 球磨法 溅射沉积法 去合金法 又称脱合金化法 是指通过化学或是电化学腐蚀过程将合金中的一种或多种组元有选择性的去除的一种方法 5表征方法 1循环伏安法CV 3线性扫描伏安LSV 4TEM 2计时电流法 5XRD 6EDS 1cv CV的方法是将循环变化的电压施加于工作电极和参比电极之间 循环伏安法是指在电极上施加一个线性扫描电压 以恒定的变化速度扫描 当达到某设定的终止电位时 再反向回归至某一设定的起始电位 循环伏安法电位与时间的关系为 见图 K3Fe CN 6在Pt工作电极上的CV过程 K3Fe CN 6在Pt工作电极上的CV过程 a点 起始电位为 0 8V b点 析出电位开始还原 bed点 阴极电流迅速增加 d点 电极表面的为0 def点 h点 的析出电位 还原峰 氧化峰 hij点 阳极电流迅速增加 j点 电极表面的为0 K3Fe CN 6在Pt工作电极上的CV过程 还原反应 O eR 还原峰 O eR 氧化反应 氧化峰 CV 重要的参数 1阳极峰电流 ipa 测量确定ip的方法是 沿基线作切线外推至峰下 从峰顶作垂线至切线 其间高度即为ip 2阴极峰电流 ipc 1阳极峰电位 Epa 2阴极峰电位 Epc 两者的比值 差值 Pd纳米结构 2计时电流法 实验中需要确定一个电位 检测物质在恒电位下一段时间内电流的变化 实验中电位一般选择物质在循环伏安中第一个峰的电位值作为参数 Pd纳米结构 线性伏安法也是电化学实验中常见的测试方法 同样是设置两个电位E0 E1 从E0扫描到E1得到一条曲线 然后可以从曲线中比较检测物质在某一电位下的电流值的大小或者同一电流值下的电势大小 从而得知这种物质的电化学性能 3线性伏安法LSV Pd纳米结构 4TEM 可以根据透镜直观的看到物质的微观结构 它可以看到类似物质的包裹情况 看到金属负载之后是否团聚 粒径大小等信息 Pd的纳米结构 5XRD 确定物质的晶胞参数 也可以对检测物质进行计算求出物质的粒径大小等物质的基本信息 从而初步定性的确定是否为实验想要的物质 Pd的纳米结构 6EDS 能谱仪是根据不同物质的X射线光子特征及能量的不同对检测物质的成分进行分析 对物质进行定性 定量或者是半定量的分析 Pd的纳米结构 展望 考虑到能源问题和环境污染问题的日益严重 燃料电池的不断发展 特别是纳米材料的发展 展望 因此利用纳米尺度上对金属催化剂颗粒的纳米结构进行理性设计和化学裁剪 有可能显著地改变金属催化剂的物理化学性质 将纳米领域核壳结构引入燃料电池催化剂是很有前途的研究方向 核壳结构 展望