碱性条件下燃料电池阳极反应电催化剂的制备及性能研究

发布时间：2020-12-18 01:39

　　解决日益增长的全球能源短缺问题是21世纪人类一直面临的最大挑战。在现阶段,矿物质燃料仍然是最主要的能源形式。同时,大多数的环境问题,如空气污染等都与矿物质燃料的燃烧过程紧密相关。燃料电池是一种可以直接将化学能转化成电能的装置,具有高比功率密度、高能量转换效率、环境友好、低温操作等显著特点,被认为是传统内燃机类能源转换装置最理想的替代品。燃料电池是由两个半反应所构成:阳极的氢气氧化反应（HOR）和阴极的氧气还原反应（ORR）,同时使用催化剂来加速反应进程。目前,发展最好的质子交换膜燃料电池（PEMFC）仍然受到了由Pt基催化剂所带来的高成本制约,而刚刚发展起来的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）有望解决这一问题,因为在碱性电解质中一些非贵金属催化剂展现出与Pt催化剂相当的ORR活性,从而大大降低了催化剂的成本。然而,Pt对HOR的催化效率在碱性电解质中要比在酸性介质中低两个数量级,这就导致与PEMFC相比,AEMFC的阳极需要更多载量的Pt。因此,我们需要研制出在AEMFC中非常高效的HOR催化剂,从而降低Pt在阳极中的载量。对于燃料电池的阳极反应,除了使用氢气作为燃料,还可以使用更为安... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：143 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

Grove燃料电池水解示意图[4j

阳极、阴极以及电池总反应式均与ＰＡＦＣ反应式相同。在整个反应的过程中，??Ｈ＋从阳极到阴极的传递需要携带一定的水分子，同时，如果质子交换膜过于干燥??就会使其导电性能下降，因此我们需要使用湿润的气体进行反应。由于水的沸点??要高于ＰＥＭＦＣ的工作温度，阴极生成的液态水如果不能及时去除，就很容易把??电极淹没造成气体通道的堵塞。因此，ＰＥＭＦＣ的水管理是一个特别复杂的技术??过程［５２＿５４１。同时，ＰＥＭＦＣ存在的另外一个问题就是必须将燃料中Ｃ０的浓度降??到极低的水平。因为低温下Ｃ０会使ＰＥＭＦＣ中的Ｐｔ催化剂失去活性，如果采用??ＰｔＮｉ合金作为阳极催化剂，就可以提高Ｃ０的耐受性。ＰＥＭＦＣ具有能在低温下??工作，易于启动和停止，输出功率密度高，能量转换率高以及环境友好等优点［５５］，．??己经在汽车行业得到了很好的应用，丰田、本田等商家的燃料电池汽车正做的风??生水起。２０１４年１２月１５日，由丰田所生产的燃料电池汽车Ｍｉｒａｉ在日本本土上??市。截至２０１７年１０月底，该车己经在欧洲、北美、日本及阿联酋地区累计售出??了?４３００余辆。本田公司也于２０１５年推出了?Ｃｌａｒｉｔｙ车型，它的续航里程和动力??表现比Ｍｉｒａｉ还要出色。日本预计将在２０２０年为东京奥运会和残奥会导入１００??量名为ＳＯＲＡ的燃料电池公交车。??

ＡＥＭＦＣ的电池反应式与ＡＦＣ相同，如图１－４所示。ＡＥＭＦＣ的??性条件为电池提供了一个非常温和的反应环境，使其拥有ＰＥＭＦＣ所不具备的??点潜在优势，列举如下：（１）对于碱性条件下阴极发生的氧气还原反应，可以??用一些价格低廉的非贵金属材料作为催化剂并达到甚至超越Ｐｔ族催化剂的活??，从而大大降低了催化剂的成本［５６１；?（２）电池组件以及电推材料在碱性条件下??有很好的稳定性；（３）对于交换膜来说氟类材料不再是必须的选择，很多成本??低的高分子聚合物都可以作为阴离子交换膜的原材料［５７］。与早期的ＡＦＣ电池??比，ＡＥＭＦＣ使用的是固态膜电解质从而很好地缓解了高浓度的ＫＯＨ会与空??中的ｃｏ２发生化学反应的问题，打破了只能使用纯净Ｈ２作为燃料的局限性，??电池的应用领域从航空航天拓宽至陆地，具有非常大的现实性意义。图１－５??自２０００年以来，有关ＡＥＭＦＣ电池文章的出版数量。我们可以看出，特别是??１０年，有关该领域的论文数量有了一个明显的增加，现如今有关ＡＥＭＦＣ的??文数量已经超过了?２０００多篇，这就说明它己经成为燃料电池领域中一项蓬勃??展的技术，引起了人们的极大关注。??６００?ｐ￣???—???????????


本文编号：2923106