[发明专利]硫酸氧化钒均相辅助催化的直接甲酸燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池技术，旨在提供一种硫酸氧化钒均相辅助催化的直接甲酸燃料电池。该燃料电池中的改性甲酸燃料的制备方法：取一升质量浓度98wt％的浓硫酸加热至70～90℃；加入0.1～1mol的NH₄VO₃，搅拌反应5h；冷却至室温后，加入1～4升质量浓度30～60wt％的甲酸水溶液，得到含(VO)SO₄助催化剂的改性甲酸燃料。本发明在甲酸溶液中添加(VO)SO4起到了助催化作用，防止甲酸在固体催化剂上的脱水反应，有效避免了催化剂中毒。助催化剂存在于甲酸溶液，不受固相催化剂担载面积的制约，能够最大限度地发挥助催化剂的作用，不会降低主催化剂在固相载体上的担载量。活性中心均一且具有高活性，极大提高了甲酸的电化学反应速度。为直接甲酸燃料电池的设计和性能提高提供了新思路。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，特别涉及一种硫酸氧化钒均相辅助催化的直接甲酸燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料中的化学能转变为电能的高效能量转换装置，由于其无需经过卡诺循环，能量密度和能量转换效率高，是一种新型的绿色能源技术。近几年来，由于燃料电池(Fuel Cell)的技术获得创新突破，再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来，各国政府与汽车、电力、能源等产业渐渐重视燃料电池技术的发展。燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电技术。燃料电池使用醇类、甲酸、氢气、硼氢化钠、肼等燃料转换成电流，使其能持续产生电力，不需二次电池的充放电程序。充电时，只要再装进燃料即可。燃料电池，简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外第四种发电方法。

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。以直接甲酸(HCOOH)燃料电池为例，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。与甲醇的电化学氧化反应类似，甲酸在铂催化剂上的电化学氧化由多个基元反应构成：

HCOOH的阳极氧化反应：

HCOOH＝CO₂+2H⁺+2e (6)

其中反应(5)是甲酸电化学氧化的速度控制步骤。不同于Pt，甲酸在钯催化剂上可以在一定程度减弱甲酸脱水反应(2)，因此Pd催化剂对甲酸的电化学氧化表现出更高的催化活性，但难以彻底避免甲酸脱水反应。因此即使以钯为催化剂的直接甲酸燃料电池，其性能仍然远远低于氢燃料电池。因此，避免甲酸脱水和避免CO在钯活性位上的吸附，是提高直接甲酸燃料电池的关键。

燃料电池发电性能(功率和效率)主要取决于电极反应和欧姆阻抗。催化剂催化活性决定电极反应速率，而助催化剂是强化有机小分子催化氧化的重要手段，合金化是使用助催化的主要方法。为了强化CO的电化学氧化，通常采用铂和助催化过渡金属形成的合金催化剂，如PtRu。在Ru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，但是，反应(5)仍然是甲酸电化学氧化的速度控制步骤，强化氧化铂的还原仍然是提高直接甲酸燃料电池性能的关键因素。并且，在有限的碳载体表面，既要担载主催化剂又要担载助催化剂，增加助催化剂的担载量必将导致主催化剂担载量的降低，因此无法使主催化剂和助催化剂的作用发挥最大化。

发明内容