甲醇电解制氢

第36卷第5期Vol 36, No 52006年10月BATTERY BIMONTHLY甲醇电解制氢胡智怡,李永亮,沈培康(中山大学光电材料与技术国家重点实验宣,物理科学与工程技术学院,广东广州510275)摘要:采用质子交换膜燃料电池作电解器,提出了利用甲醇电解制氢的、经济的制氢方法。结果表明,电解甲醇制氢比传统的电解水制氩,能够降低电压近2/3。所迷的技术具有安全、简洁及低成本等特点。关键词:制氫;甲醇电解;电解装置;燃料电池中图分类号:TM94文献标识码:A文章编号:1001-1579(200605-0383-02Hydrogen production by methanol electrolysisHU Zhi-yi, LI Yong-liang, SHEN Pei-kangState Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School ofasics and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, Guangdong 510275, China)Abstract: An economic method to produce hydrogen with direct electrolysis of methanol by using modified proton exchange membrane fuel cell( PEMFC)as an electrolyser was put forward. The results showed that the hydrogen produced by the electrolysis ofmethanol could reduce the electricity consumption up to 2/3 compared with traditional water electrolysis. The novelty of this technique was inherent safety, simplicity and substantially lowered costKey words: hydrogen production: methanol electrolysis; electrolyser; fuel cell氢能以其清洁高效的特点,被认为是未来最有潜力的能源本文作者对比了将甲醇与水作为原料的电解制氢,并将温载体口。氢能开发首先要解决的是廉价制氢的问题。目前,主度和浓度对甲醇电解制氢的影响进行了研究要的制氢方式仍是化学制氢,从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气2电解水制氢已具有规模化生产能力,但是,1实验电解水制氢的能耗很大研究降低制氢电耗的有关问题是推1.1MEA膜电极的制备广电解水制氢的关键。电解阳极的电催化剂为PRu/C( Johnson Matthey公司),阴本文作者提出了利用甲醇电解制氢的方法。电解甲醇制极电催化剂为PC( Johnson Matthey公司)。电解电极的制备氢的主要优势是电解甲醇仅需很低的电压。为了简要叙述原过程类似于PMFC的膜电极,具体制备工艺如下:阳极用聚四理将甲醇与水进行比较。电解水的理论电压由氢、氧两电极氟乙烯(PTE)处理过的碳纸(PTFE含量为10%)作为电极支的电位差决定标准电位为123V而甲醇的标准电位是0.02撑体,上面涂一层用PTFE乳液调和的碳粉作为扩散层(PTFEV低于电解水的理论电压。甲醇电解的反应式为含量为10%,碳载量为1.5mg/cm2)将PRuC催化剂粉末阳极:CH3OH+H20=6H*+CO2+6e(1) Nafion溶液和乙醇溶液混合,在超声波条件下震荡数分钟形成阴极:2H*+2e=H2(2)墨水状,均匀地涂在上述碳扩散层上,PtRu金属载量为25总反应:CH3OH+H2O=3H2+CO2(3)mg/cm2,阴极制备工艺和阳极相同,但是各层中物质的含量与由反应式可知电解甲醇不仅可以利用甲醇本身的氢还阳极不同。用PTFE处理过的碳纸(PTFE含量为30%)作为电「以从水中获得氢,因此,氢的利用率非常高。极支撑体,扩散层中PTFE的含量为30%,Pt催化层载量为15作者简介胡智怡(1982-),男,湖北人,中山大学物理科学与工程技术学院硕士李永亮(1982-),男,山东人,中山大学物理科学与工程技术学院硕士中国煤化工研究沈培康(1953-),男,淅江人,中山大学物理科学与工程技术学院教CNMH G基金项目:广东省科技厅工业攻关计划(2005A11001002,2005A110001),广州市科技攻关项目(200573-D0251),广州市白云区科技局科技成果推广项目(2004-ST-8)BATTERY BIMONTHLY第36卷mg/cm2。以 Nafion17膜作固体电解质, Nafion17膜的处理过程如下将 Nafion17膜依次在5%H2O2去离子水、1mo/L硫酸及去离子水中处理1h,处理温度为80℃,以去除膜表面的有机物和金属离子。将阳极和阴极的催化层面向处理好的Nafion17膜,在15MPa的压力下,于135℃下热压180,制成50℃膜电极(MEA),有效几何面积为2.5cm×2.5cm。1.2电解装置组装以及电解将MEA固定在两块带平行流场的镀金铜板之间,组装成电解装置如图1所示200250300350.400.45050055图32mo/L甲醇在不同温度下电解的E曲线Fig 3 El curves of 2 mol/L methanol electrolysis at different从图3可以看出,随着温度的上升,甲醇的起始电解电压逐阴极步下降;而在相同的电流下,甲醇的电解电压也随着温度的上升逐步下降23不同甲醇浓度的影响图4为30℃下、不同浓度甲醇溶液电解的EI曲线流电源正极moLL图1电解装量示意图Fig 1 Schematic setup of the electrolyser用IM6e电化学工作站( Zahner- Electrik,德国)采用电势线性扫描进行电解电解溶液通过蠕动泵泵入阳极室,阴极先通入1min的氢气作为保护气体,然后通过排水法,收集电解产生0203040.506070.8的氢气图430℃下不同浓度甲醇溶液电解的EI曲线2结果与讨论Fig, 4 EI curves of methanol with different concentration electrolysis at30℃2.1不同电解液电解从图4可以看出,2m/L甲醇的电解效果最好。对于1图2为在90℃下,2mo/L甲醇和去离子水电解的E曲mo/L甲醇,随着电压加大,电流增大在较高的电流密度下,出现浓差极化,因此,在05V以后曲线发生倾斜。在高甲醇浓度下,甲醇渗透到阴极造成阴极催化剂毒化成为主要问题,导致电解电压增大,性能降低。0.63结论去离子水通过对甲醇和水的电解制氢比较发现在相同的电流下,甲醇的电解电压相对于水可降低近2/3,降低了制氢的能耗甲醇的电解电压随着温度的增大而减小。将质子交换膜燃料电池作为电解装置可以达到任何规模的要求非常方便。参考文献图2在90℃下2m/L甲醇与去离子水电解的E曲线1emiN,Dath. brid cars now, fuel cell cars laterFig,2 E-I curves of2 mol/L methanol and water electrolysis at-(2] WU Chuan(吴川, ZHANG Hua-min(张华民), YI Bao-lian(衣宝Science,2004,305(5686):974-9从图2可以看出,甲醇的起始电解电压低于去离子水的起),eal.化学制氢技术研究进展[ Progress in Chemistry(化学进展),2005,17(3):423-429始电解电压在相同的电流下,甲醇的电解电压相对于水可以[3]ei(史鹏飞), ZHANG降低近2/3,以甲醇为原料制氢耗能相比于以水为原料有大幅中国煤化工制氢研究进展[. Battery度的下降CNMHG22温度的影响图3为不同温度下,2molL的甲醇溶液电解的E曲线。收稿日期:2006-08-11