关于氢燃料电池新型纳米合金碟催化剂项目的研究意见

氢燃料电池新型纳米合金碟催化剂项目的研究意见一．燃料电池原理及分类燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。根据其燃料及电解质的不同，分为如下几类：碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。二．氢燃料电池氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。1.结构燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。2.工作原理如图所示，其工作原理如下：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H2→2H+2e。(3)在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H+2e→H2O。总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O。电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。3.氢燃料电池优点（1）高效。燃料电池按电化学原理直接将化学能转换为电能。在理论上燃料电池的热电转化效率可达85%-90%。但实际上由于电池在工作时受各种极化的限制，目前各类电池的实际能量转化效率在40%-60%范围内。（2）环境友好。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，对环境和生态没有如何污染，从源头上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。（3）安静。燃料电池按电化学原理工作，活动部件很少。因此工作时安静、噪音低。（4）燃料补充方便。普通化学电池的工作过程是需要阶段性充电的间歇操作，而燃料电池仅通过简单的更换燃料罐就可以实现长时间持续供电。4.应用（1）氢燃料电池作为移动式电源的应用。一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。（2）氢燃料电池作为固定式电源的应用。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。（3）氢燃料电池的军事应用。由于氢燃料电池发电机工作温度低，红外辐射少，无震动，没有噪音，因此特别适合用作为现代军用电源。三．氢燃料电池催化剂研究现状燃料电池的电性能与电极反应的效率密切相关，而电极反应的效率主要由电催化剂的催化性能来决定，因此催化剂的性能对燃料电池的电性能起着至关重要的作用。至今为止，氢燃料电池的有效电催化剂仍以铂为主。由于铂的价格昂贵，资源匮乏，造成氢燃料电池成本很高，大大限制了其广泛应用。所以降低贵金属催化剂用量，寻找廉价催化剂，提高电极催化剂性能成为电极催化剂研究的主要目标。1.铂催化剂20世纪60年代美国通用电气公司研制的电催化剂为铂黑，用量约为10mg/cm，而且催化剂利用率也很低。直到20世纪80年代中期，电极上的铂的担载量仍高达4mg/cm。20世纪90年代以来，加拿大ballard公司采用nafion膜，以Pt/c作为电催化剂，通过对膜电极结构和制备工艺的改进，电催化剂中Pt负载量降低到0.7mg/cm-1.0mg/cm，取得突破性进展。将铂分散于不同的载体中，制成复合电极材料，是提高铂催化剂利用率的有效途径。目前使用的催化剂大多数是以活性碳、碳黑以及石墨等碳材料为载体的铂催化剂，这样减少了铂的用量，提高了铂的利用率。2.铂合金催化剂由于氢燃料电池对燃料气中Co非常敏感，即使微量的Co也可使Pt催化剂中毒，大大降低其电性能，因而提高催化剂对Co的抗毒能力成为这类催化剂的研究方向。Pt-Ru合金催化剂是目前为止研究最为广泛的抗Co电催化剂，它通过Pt和Ru的协同作用，使电池在Co存在下维持较高的性能。Weijiangzhou等人研究了在铂中掺入Sn、Ru、W、Pd制备的二元合金催化剂，得到的合金催化剂催化活性顺序为PtSn/CPtRu/CPtW/CPtPd/CPt/C。JoseRE等人制备了PtCo/C催化剂，并在900℃对PtCo/C进行了热处理，发现这种催化剂的催化性能劣于Pt/C催化剂，原因是在900℃时Pt和Co并没有形成合金，没有引起Pt结构上的改变，加入Co还使Pt的颗粒增大，比表面积减少，因此催化性能下降。3.铂-氧化物及非铂系催化剂在研究铂合金催化剂的同时，铂-氧化物催化剂也是一个研究热点。关芙伊等人就利用微乳法合成了粒径约为5nm的MnO超微粒子，并将其掺入氢燃料电池的铂电极中，改变了电池的放电原理，提高了输出电压。在目前阶段，非Pt催化剂无论是催化活性还是使用寿命都还不能与传统的Pt催化剂相比，但这些催化剂价格低廉、资源丰富，并且对低温燃料电池具有一定的催化活性，仍是一种潜在的可替代贵金属Pt的廉价电催化剂。如果能开发出性能优异的非铂催化剂，必将大大降低燃料电池的成本，促进燃料电池的实用化步伐四.氢燃料电池行业现状进入20世纪90年代后,由于人们对环境保护的日益重视和质子交换膜燃料电池技术的高速进步和显著优点,质子交换膜燃料电池在民用方面,尤其是电动车方面的应用引起了各国政府和企业的高度关注,并纷纷投巨资进行研究,使氢燃料电池技术得到了进一步的飞速发展。从目前发展情况看，氢燃料电池是技术最成熟的电动车动力电源。国际上，氢燃料电池研究开发领域的权威机构是加拿大Ballard能源系统公司。美国H-Power公司于1996年研制出世界上第一辆以氢燃料电池发电机为动力源的大巴士。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划。2003年由上海同济大学主持研制的第一辆燃料电池车正式试车，并于2008年北京奥运会和2010上海世博会交付使用。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。随着氢燃料电池技术的飞速发展,实用的氢燃料电池已经开始应用于各个领域。德国海军已经配备了4艘用Siemens公司制造的300kW氢燃料电池作为动力源的潜艇,Ballard公司已经开始出售商业化的250kW氢燃料电池发电装置、电动车用氢燃料电池和各种便携式电源,日本丰田等汽车公司则已经推出商业化的燃料电池电动车。五．项目研究意见如上所述，氢燃料电池虽有诸多优点，但是成本过高限制了其产业化发展，而导致其成本过高的主要原因是电极催化剂中贵金属铂的使用。如何降低成本，减少贵金属铂的使用，提高铂的利用效率成为有关项目是否可行的关键考察点。加拿大BLUE-O技术公司发明的新型燃料纳米合金碟催化剂拥有表面积大，用量低等优点。其最高能达到现有同等表面积催化剂用量的1/5，相当于减低铂金原料成本高达80%，在低载量的同时，还能保持同等的电化学催化性能，并且耐久性也提高了50%。其发明不但满足客户成本低的要求，更与国家当前提出的低碳经济相符合。但是BLUE-O技术公司发明的新型燃料纳米合金碟催化剂仅处于实验室阶段，对于中试实验有可能出现的问题，不可预测，具有一定的技术风险。再者，即使能够顺利产业化生产，但是目前燃料电池仅在军事、高科技等特殊领域应用，市场规模较小，短期内盈利可能性不大，具有一定的投资风险。综上所述，建议跟踪考察加拿大BLUE-O技术公司“用于氢燃料电池的新型纳米合金碟催化剂”项目。