解決日益增長的全球能源短缺問題是21世紀(jì)人類一直面臨的最大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)階段,礦物質(zhì)燃料仍然是最主要的能源形式。同時,大多數(shù)的環(huán)境問題,如空氣污染等都與礦物質(zhì)燃料的燃燒過程緊密相關(guān)。燃料電池是一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置,具有高比功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境友好、低溫操作等顯著特點,被認(rèn)為是傳統(tǒng)內(nèi)燃機類能源轉(zhuǎn)換裝置最理想的替代品。燃料電池是由兩個半反應(yīng)所構(gòu)成:陽極的氫氣氧化反應(yīng)（HOR）和陰極的氧氣還原反應(yīng)（ORR）,同時使用催化劑來加速反應(yīng)進(jìn)程。目前,發(fā)展最好的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）仍然受到了由Pt基催化劑所帶來的高成本制約,而剛剛發(fā)展起來的陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）有望解決這一問題,因為在堿性電解質(zhì)中一些非貴金屬催化劑展現(xiàn)出與Pt催化劑相當(dāng)?shù)腛RR活性,從而大大降低了催化劑的成本。然而,Pt對HOR的催化效率在堿性電解質(zhì)中要比在酸性介質(zhì)中低兩個數(shù)量級,這就導(dǎo)致與PEMFC相比,AEMFC的陽極需要更多載量的Pt。因此,我們需要研制出在AEMFC中非常高效的HOR催化劑,從而降低Pt在陽極中的載量。對于燃料電池的陽極反應(yīng),除了使用氫氣作為燃料,還可以使用更為安... 

【文章來源】：北京化工大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：143 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

Grove燃料電池水解示意圖[4j

陽極、陰極以及電池總反應(yīng)式均與ＰＡＦＣ反應(yīng)式相同。在整個反應(yīng)的過程中，??Ｈ＋從陽極到陰極的傳遞需要攜帶一定的水分子，同時，如果質(zhì)子交換膜過于干燥??就會使其導(dǎo)電性能下降，因此我們需要使用濕潤的氣體進(jìn)行反應(yīng)。由于水的沸點??要高于ＰＥＭＦＣ的工作溫度，陰極生成的液態(tài)水如果不能及時去除，就很容易把??電極淹沒造成氣體通道的堵塞。因此，ＰＥＭＦＣ的水管理是一個特別復(fù)雜的技術(shù)??過程［５２＿５４１。同時，ＰＥＭＦＣ存在的另外一個問題就是必須將燃料中Ｃ０的濃度降??到極低的水平。因為低溫下Ｃ０會使ＰＥＭＦＣ中的Ｐｔ催化劑失去活性，如果采用??ＰｔＮｉ合金作為陽極催化劑，就可以提高Ｃ０的耐受性。ＰＥＭＦＣ具有能在低溫下??工作，易于啟動和停止，輸出功率密度高，能量轉(zhuǎn)換率高以及環(huán)境友好等優(yōu)點［５５］，．??己經(jīng)在汽車行業(yè)得到了很好的應(yīng)用，豐田、本田等商家的燃料電池汽車正做的風(fēng)??生水起。２０１４年１２月１５日，由豐田所生產(chǎn)的燃料電池汽車Ｍｉｒａｉ在日本本土上??市。截至２０１７年１０月底，該車己經(jīng)在歐洲、北美、日本及阿聯(lián)酋地區(qū)累計售出??了?４３００余輛。本田公司也于２０１５年推出了?Ｃｌａｒｉｔｙ車型，它的續(xù)航里程和動力??表現(xiàn)比Ｍｉｒａｉ還要出色。日本預(yù)計將在２０２０年為東京奧運會和殘奧會導(dǎo)入１００??量名為ＳＯＲＡ的燃料電池公交車。??

ＡＥＭＦＣ的電池反應(yīng)式與ＡＦＣ相同，如圖１－４所示。ＡＥＭＦＣ的??性條件為電池提供了一個非常溫和的反應(yīng)環(huán)境，使其擁有ＰＥＭＦＣ所不具備的??點潛在優(yōu)勢，列舉如下：（１）對于堿性條件下陰極發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)，可以??用一些價格低廉的非貴金屬材料作為催化劑并達(dá)到甚至超越Ｐｔ族催化劑的活??，從而大大降低了催化劑的成本［５６１；?（２）電池組件以及電推材料在堿性條件下??有很好的穩(wěn)定性；（３）對于交換膜來說氟類材料不再是必須的選擇，很多成本??低的高分子聚合物都可以作為陰離子交換膜的原材料［５７］。與早期的ＡＦＣ電池??比，ＡＥＭＦＣ使用的是固態(tài)膜電解質(zhì)從而很好地緩解了高濃度的ＫＯＨ會與空??中的ｃｏ２發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的問題，打破了只能使用純凈Ｈ２作為燃料的局限性，??電池的應(yīng)用領(lǐng)域從航空航天拓寬至陸地，具有非常大的現(xiàn)實性意義。圖１－５??自２０００年以來，有關(guān)ＡＥＭＦＣ電池文章的出版數(shù)量。我們可以看出，特別是??１０年，有關(guān)該領(lǐng)域的論文數(shù)量有了一個明顯的增加，現(xiàn)如今有關(guān)ＡＥＭＦＣ的??文數(shù)量已經(jīng)超過了?２０００多篇，這就說明它己經(jīng)成為燃料電池領(lǐng)域中一項蓬勃??展的技術(shù)，引起了人們的極大關(guān)注。??６００?ｐ￣???—???????????


本文編號：2923106