利用甲酸制氢催化剂的合成与表征文献综述
2020-04-13 17:15:16
近年来,一类以甲酸为燃料的新型燃料电池,即直接甲酸燃料电池(Direct Formic Acid Fuel Cell,DEAFC)进入人们的视线,它有效地克服了质子交换膜燃料电池(PEMFC)及直接甲醇燃料电池(DMFC)两类燃料的缺点,使开发新型的便携式高能电源成为可能[1]。
在比较了各类型直接液体燃料电池 (DLFC)安全性后,Demirci[2]总结出了直接甲酸燃料电池的四大优点:一是甲酸较甲醇更容易被氧化,反应动力学快,其阳极造成的损失小,只有 0.1 ~0.2 V左右[3];二是甲酸可燃性低,比甲醇更安全;三是甲酸电催化氧化可以通过直接路径发生,只有很少的 CO 生成,因此催化剂中毒的几率大大降低[4]。
四是由于质子交换膜磺酸基的作用,甲酸渗透的问题比甲醇得到了更好的抑制[5-6]。
甲酸常温常压下是一种密度为1.23g/cm3的液体,运输、加燃料及处理起来很方便,理论储氢量为4.4wt%,是一种很有前景的储氢材料;体积储氢密度56.53kg/m3。
甲酸的氢气体积储氢密度符合国际标准,且根据目前美国能源部(DOE)[5,6] 车用储氢系统的实际储氢能力大于3.1kg(相当于500km所需的燃料)标准计算,以甲酸为储氢材料的燃料电池汽车储氢设备(相当于现在汽车油箱)体积为58.6L,与我们现在汽车油箱大小相当,这样以来在汽车整体设计、外观等方面均无需做较大改动。
另外,由于甲酸在溶液中形成的 HCOO-与 PEM 表面磺酸基团的排斥作用,甲酸对 PEM 的穿透率极低,单纯膜条件下大约为甲醇的 1/100[6];在单电池测试条件下,综合考虑催化剂等因素的影响,甲酸的膜透过率也仅为甲醇的 1/6[10],而正由于甲酸较低的膜穿透率,DFAFC 对甲酸浓度适应范围较广,采用 20 mol/L 甲酸为燃料时电池也能正常工作,使用10 mol/L 甲酸时电池工作效率最佳[11]。
再者,甲酸作为一种酸性电解质,有利于提高阳极室的质子电导率,降低电池内阻。
甲酸在催化剂表面有较高的电化学活性,理论开路电压1.48 V,高于甲醇的 1.21 V 和氢气的 1.23 V[9]。
甲酸作为燃料也存在一定的缺点。
如甲酸理论体积能量密度较低(约为 2 104 W#183;h/ L,不到甲醇 4 812 W#183;h/L的一半),液态甲酸易挥发产生有毒刺激性气体,高浓度的甲酸具有较强的腐蚀性,但可以通过使用较高浓度的甲酸、增强电池的密闭性能、对电池材料表面进行特殊处理等来减小以上缺点对电池性能的影响[7]。