[发明专利]太阳能直接醇类燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种在太阳光照射下工作的直接醇类燃料电池，更具体地说，本发明涉及一种利用太阳光中的紫外线，减轻醇类在电化学氧化过程中铂催化剂表面发生的一氧化碳中毒，提高直接醇类燃料电池性能的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是移动式和便携式电源领域最有前景的技术之一。虽然PEMFC技术已经日趋成熟，然而其商品化还面临一个难以解决的问题，即氢的生产和储运。氢的储运主要有两种方式：第一，高压气瓶储氢，缺点在于体积比能量低，对设备要求高，并存在一定的安全隐患；第二，利用重整气给燃料电池进料，这必然使燃料电池系统复杂化，增加成本。

人们尝试寻找其它的替代燃料以克服PEMFC的技术障碍，其中以有机小分子居多。对于直接醇类燃料电池来说，燃料不存在储运困难的问题，但是反应活性低且极易使催化剂中毒，造成电池性能的低下。

例如，甲醇在铂催化剂上的电化学氧化由多个基元反应构成：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中反应(5)是甲醇电化学氧化的速度控制步骤。直接甲醇燃料电池性能低于氢燃料电池的主要原因之一在于，甲醇电化学氧化的中间产物CO吸附在铂的活性位上，难以进一步被氧化。为了加速CO的电化学氧化，通常采用铂和其他过渡金属形成的合金催化剂，如PtRu、PtSn。在Ru和Sn元素的位置上可形成羟基团(OH)，吸附在铂活性位上的CO在OH的作用下氧化成CO₂和H₂O，从而消除CO的吸附，重新获得铂活性位。

催化剂催化能力决定电极反应速率，Levy和Boudart发现WC和Pt的表面的电子结构相似而使得WC有和Pt一样的性质，虽然WC的制备方法很大程度上影响着WC的催化行为，还不能达到替代铂的程度，但W和其他金属的二元或多元金属碳化物表现出较好的催化活性。研究结果表明，在含有钨的二元金属碳化物[(W，M)C；M＝V，Cr，Mn，Ni，Mo)]中，含有Mo的催化剂对甲醇的催化活性最大。采取Mo/(W+Mo)＝0.2的比例，在700℃下碳化所得的催化剂性能是所有二元金属碳化物催化剂中性能最好的，且腐蚀电流可以忽略。在酸性电解液中，对于单纯含有W的WC催化剂只出现了短暂的甲醇氧化电流，几分钟后电流几乎降为0；但是含有Mo的WC催化剂在甲醇通入体系很长一段时间后仍有电流且能达到一个稳定值。认为，Mo在这样的电极反应中可能是移走了甲醇氧化的某些有毒的中间产物，或者是使甲醇氧化按另外一个没有毒性中间产物生成的反应路径进行。将Ni、W、Mo、Fe等各种金属进行组合制备成各种催化剂的研究中发现，虽然Ni催化剂、NiC催化剂和(Fe，W)C都对甲醇没有催化活性，而且腐蚀电流非常大，但是(Ni，W)C、(Ni，Mo)C、(Ni，Mo，W)C对甲醇都有催化活性，而且在溶液中发生钝化。

Burstein等提出了酸性体系中(Ta，Ni)C对甲醇氧化的催化机理。认为，(Ta，Ni)C表面有适当的C和O悬空在外面，当甲醇分子靠近时，甲醇中的C与催化剂表面的O相吸附，甲醇中的O与催化剂表面的C相吸附，形成一个环形分子结构，此时发生电化学氧化使得环断裂，电子向催化剂内部转移，同时有CO₂等产物生成。可见，催化剂表面的C和O同时存在且原子间距离适当使得有可能形成环形吸附架构是其有催化活性的关键。

太阳光中的紫外光波长比可见光短，但比X射线长的电磁辐射，紫外光波长为10-400nm。紫外光可使一些羰基过渡金属化合物的羰基如Mo(CO)₆或Fe(CO)₅上的CO脱附，获得活性表面。在研究中发现，在紫外光照射下，Pt容易在较低电位下氧化成PtO，低电位下形成的PtO具有很大的活性，与吸附在铂的活性位上的甲醇电化学氧化的中间产物CO反应生成CO₂，从而消除了CO对铂催化剂的毒害作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，减少CO在铂活性位的吸附，提高直接醇类燃料电池的性能，提供一种利用太阳光中的紫外线，在太阳光照射下工作的太阳能直接醇类燃料电池。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：