燃料电池原理

1、燃料电池原理燃料电池原理及其与光催化的对比及其与光催化的对比大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室报报 告告 人人: : 宗旭宗旭 博士生博士生指导老师指导老师: : 李灿李灿 院院 士士Seminar I燃料电池及光催化研究的背景燃料电池及光催化研究的背景Robert F.Service, Science, 2005, 309, 548能源与环境问题是人类必能源与环境问题是人类必须解决的两大问题！须解决的两大问题！燃料电池的定义及其分类燃料电池的定义及其分类定义：燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极定义：燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极

2、的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。分类：根据工作温度可分为低温型、中温型和高温分类：根据工作温度可分为低温型、中温型和高温型三种。根据电解质的种类可分为：碱性燃料电池型三种。根据电解质的种类可分为：碱性燃料电池( (AFC)AFC)、磷酸燃料电池磷酸燃料电池( (PAFC)PAFC)、熔融碳酸盐

3、燃料电池熔融碳酸盐燃料电池( (MCFC)MCFC)、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池( (SOFC)SOFC)和聚合物离子和聚合物离子膜燃料电池膜燃料电池( (PCMFC)PCMFC)。燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理燃料电池由阳极、阴燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解极和离子导电的电解质构成，其工作原理质构成，其工作原理与普通电化学电池类与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，流向阴极构成电回路，产生电流。产生电流。燃料燃料氧化剂氧化剂阳极阳极阴极阴极电电 解解 质质导电

4、离子导电离子质子膜燃料电池的工作原理质子膜燃料电池的工作原理)(2122)(22222CathodeOHOeHAnodeeHH2221()2HOH O OverallElectricity各种燃料电池的工作原理各种燃料电池的工作原理Martin Winter and Ralph J. Brodd, Chem. Rev., 2004, 104, 4245光催化的定义光催化的定义光化学过程：广义上，在光的光化学过程：广义上，在光的作用下发生的化学过程。作用下发生的化学过程。光催化：属于光化学过程，但光催化：属于光化学过程，但除光的作用外，还要有催化剂除光的作用外，还要有催化剂的参加。的参加。绿色植

5、物的光合作用绿色植物的光合作用光合作用：在多种酶的催化下，绿色植物吸收太阳的光合作用：在多种酶的催化下，绿色植物吸收太阳的光能，把光能，把COCO2 2和和H H2 2O O合成有机物，同时释放氧气的过程。合成有机物，同时释放氧气的过程。 CO2+H2OO2Nathan S. Lewis, Nature, 2001, 414, 589光催化能量转化的途径光催化能量转化的途径)(2212222TiOHOhOHhehvTiO2222)(222PtHeH)(212222OverallHOhvOHn-TiOn-TiO2 2电极光电分解水电极光电分解水的实验第一次揭示了人的实验第一次揭示了人类利用太阳光

6、的可能性。类利用太阳光的可能性。A. Fujishima and K. Honda., Nature, 1972, 238, 37人类光催化第一次成功探索人类光催化第一次成功探索半导体光催化的原理半导体光催化的原理VBCBhvD+表面复合表面复合+体相复合体相复合DAA-hv光生电子或空光生电子或空穴在对应活性穴在对应活性位的富集，促位的富集，促进了光生电子进了光生电子和空穴的分离，和空穴的分离，并且降低了氢并且降低了氢氧过电位，提氧过电位，提高了光催化活高了光催化活性。性。CBVBhehvPt, Ru, PdRuO2电子捕电子捕获位获位空穴捕空穴捕获位获位助剂提高光催化活性的原理助剂提高光催

7、化活性的原理CBVBhehv燃料电池与光催化原理的对比燃料电池与光催化原理的对比燃料燃料氧化剂氧化剂阳极阳极阴极阴极电电 解解 质质导电离子导电离子燃料电池燃料电池光催化光催化电子捕电子捕获位获位空穴捕空穴捕获位获位电化学的对比电化学的对比222212HOhvOH光催化分解水：光催化分解水：2220012238/(1.23 )HOH O ElectricityGkJ mol EV燃料电池：燃料电池：活化极化，浓差极化，活化极化，浓差极化，欧姆极化导致实际电压欧姆极化导致实际电压小于理论电压小于理论电压1.231.23V V，实际单体电压实际单体电压0.6-0.80.6-0.8V V。阴阳极过电

8、位，电子空阴阳极过电位，电子空穴分离传输，能带弯曲穴分离传输，能带弯曲等，理想带宽等，理想带宽2.52.5eVeV左左右。右。当阳光从电池上层表面入射到电池内部时，入射光子分别为各区当阳光从电池上层表面入射到电池内部时，入射光子分别为各区的价带电子所吸收并激发到导带产生电子的价带电子所吸收并激发到导带产生电子- -空穴对。在势垒区内建空穴对。在势垒区内建电场的作用下，将电子扫入电场的作用下，将电子扫入n n区，将空穴扫入区，将空穴扫入p p区，各区产生的光区，各区产生的光生载流子形成光生电流，实现光产生电的转换。生载流子形成光生电流，实现光产生电的转换。光伏电池的原理光伏电池的原理燃料电池与光

9、伏电池的对比燃料电池与光伏电池的对比燃料燃料氧化剂氧化剂阳极阳极阴极阴极电电 解解 质质导电离子导电离子np应用形式的对比应用形式的对比光催化：光催化：燃料电池：燃料电池：应用领域的对比应用领域的对比光催化：光催化：燃料电池：燃料电池：大型电站发电；大型电站发电；便携移动电源；便携移动电源；应急电源；应急电源；家庭电源；家庭电源；汽车，军舰汽车，军舰降解环境污染物；降解环境污染物；化学合成；化学合成；太阳能光电池；太阳能光电池；太阳能光解水、生太阳能光解水、生物质制氢物质制氢面临问题的对比面临问题的对比光催化分解水：光催化分解水：直接甲醇燃料电池：直接甲醇燃料电池： 催化剂的活性、稳定催化剂的

10、活性、稳定性低；性低； 催化剂对可见光的响催化剂对可见光的响应差；应差； 量子效率低；量子效率低；成本高；成本高；电池的性能及寿命；电池的性能及寿命；系统集成；系统集成；解决方法的对比解决方法的对比降低贵金属的用量或采降低贵金属的用量或采用非贵金属催化剂体系；用非贵金属催化剂体系；阳极、阴极甲醇氧化还阳极、阴极甲醇氧化还原机理研究；原机理研究；低甲醇透过率质子交换低甲醇透过率质子交换膜的研制；膜的研制；设计适宜的电池结构。设计适宜的电池结构。直接甲醇燃料电池：直接甲醇燃料电池：光催化分解水：光催化分解水： 寻找高效、稳定的光寻找高效、稳定的光催化剂；催化剂；阳离子、阴离子掺杂等阳离子、阴离子掺杂等提高可见光响应；提高可见光响应； 光催化反应机理的研光催化反应机理的研究。究。光催化提高燃料电池的性能光催化提高燃料电池的性能222222/(6 )/6/(6 )6CFE PtRumethanolH OCFEePtRuCOHCFE TiOmethanolH OhvCFE TiOeCOHPrashant V. Kamat, et al., J. Phy