分解水制氫及其在燃料電池中的應用研究獲獎科研報告

分解水制氫及其在燃料電池中的應用研究獲獎科研報告

摘

要：在能源短缺與環(huán)境污染的雙重壓力下，世界各國對綠色高效的能源技術的發(fā)展越來越重視。氫燃料電池因為清潔無污染和高能量轉換效率的優(yōu)點而受到廣泛關注。運用半導體SnS，TiO2來光催化分解水制氫得到氫氣，但由于光電轉換效率低，無法得到大量的氫氣。運用太陽能電池板直接電解水制氫，并將得到的氫氣注入燃料電池小車中，得到不同照度下的分解等量氫氣所需的時間，產生的氫氣所能驅動小車前進的距離。將得到數據進行理論計算，并對結果進行分析，并提出改進的措施。

關鍵詞：氫能;燃料電池;分解

1.引言

隨著全球經濟的不斷發(fā)展，人類對能源的需求量在持續(xù)增長，全球能源的消耗仍然是以化石能源為主，但化石燃料儲量有限、生成周期長，難以滿足持續(xù)大量的需求，并且常規(guī)能源的廣泛應用所引起的環(huán)境問題日益顯現，因此尋找新能源的研究越來越受到人們的關注。

氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源受到廣泛的關注[2]，其具有轉化效率高、使用方便、來源途徑多樣等特點，目前常用的制氫方法有電解水制氫、水煤氣法制氫、石油裂解制氫、天然氣重整制氫等[3]。而對于氫能的使用，其中最有效的方法之一是利用氫燃料電池[4]。理論上氫燃料電池的能量轉換效率可高達90%～100%，而目前實際能量轉換效率也在40%～60%之間，具有高能量轉換效率、可靠性高的特點，并且由于燃料電池的化學產物為水，沒有污染物排出，因此在環(huán)境污染日益嚴重的今天愈發(fā)受到廣泛的關注。

中國也在氫能的開發(fā)應用方面進行了大量的研究，但目前為止為了生產出大量的氫能，仍然采用煤電分解水的方式制備氫氣。針對這種現狀，中國工程院院士杜祥琬曾說過：“要利用氫能，首先要制氫。如用電解水的方法制氫，就需要以消耗電力為代價——如果是煤電，意味著還是要燒煤;如果是可再生能源發(fā)電，就等于利用了可再生能源。所以即便是使用氫能，也是由‘用什么來制氫影響著能源結構。這也是多年來人人皆知氫是好的能量載體，但始終沒有得到大規(guī)模利用的原因[5]?！庇纱丝梢娙粝氪笠?guī)模利用氫能，首先需要解決如何制氫這個問題。

2.光催化分解水制氫的研究

為了在制氫的過程中盡可能少的產生污染物，可選擇利用半導體材料進行光催化分解水制備氫氣。實驗裝置通常如圖1所示。

半導體表面經光照后，電子受激發(fā)躍遷至導帶，在價帶留下空穴，水在空穴的作用下生成氧氣，在半導體電極表面發(fā)生反應如下：

電子則經由外電路流至對電極，并與水中的質子發(fā)生如式2的反應生成氫氣。

使用光催化分解水的方法可以節(jié)省常規(guī)能源，僅使用太陽能就可以直接制備氫氣，因此可以減少常規(guī)能源的使用，減少環(huán)境污染，并且，由于氫氣和氧氣分別在兩個電極板上產生，可以輕易地將二者分離開。

為了能夠順利生成氫氣，半導體材料的帶寬應大于水的分解電壓，即應大于1.23eV。

為了提高水的分解效率，本研究選用了新型的半導體材料SnS作為光催化材料。選擇該半導體材料是由于SnS的帶寬在1.2-1.5eV之間[6]，大于水的分解電壓，且可以吸收波長在可見光區(qū)的太陽光，因此理論上只要有光就可以工作。同時SnS是一種無毒的化合物，對環(huán)境無污染，并且在自然界中存在著大量的Sn和S，制備成本便宜。

本研究中利用電化學工作站采用三電極法電沉積制備SnS薄膜，利用飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑黑電極（Pt）作為輔助電極，ITO導電玻璃作為工作電極，SnCl2和Na2S2O3作為原材料，電沉積設施簡圖如圖1所示，制備出的SnS薄膜如圖2所示，表面的SEM圖如圖3所示。

由圖2可看出經電沉積法制備的SnS為黑色均勻的膜，經去離子水沖洗后未破壞表面形態(tài)。利用掃描電鏡將其擴大5000倍，發(fā)現其表面為大小約1μm、排列均勻的晶體。

將SnS膜作為工作電極放置在光化學電池中，在可見光照射下進行光催化分解水。但在實驗中卻發(fā)現在膜及對電極表面并無氣泡產生，說明并無氫氣生成。這可能是由于SnS的禁帶寬度僅略大于水的分解電壓，且在實際進行光催化時有部分能量會在電子轉移過程中耗散掉，因此導致分解無法正常進行。因此應選擇禁帶寬度更大的半導體材料才能使光催化正常進行。

3.電解水制氫的研究

電解水制氫法是工業(yè)制氫的重要方法之一，主要使用煤電進行電解反應，但煤電的生產過程中需要使用大量的化石能源--煤炭，而煤炭的燃燒過程也會對環(huán)境造成污染。為了減少污染，我們選擇使用太陽能電池提供電能進行分解水制氫的研究。

太陽電池選擇市面上廣泛應用的晶硅太陽能電池，光電轉換效率約為19%。為了驗證氫氣在燃料電池中的實際應用，配合使用燃料電池小車進行研究。小車的組成如下：

（1）膜電極為25x25mm2的電解、發(fā)電用的質子膜燃料電池。電池前后H2和O2反應窗二個接口通水、氣。

（2）長147mm×寬78mm的太陽能電池板。

（3）二個排水式儲氣罐，氫氣罐直徑20mm，高90mm，氧氣罐直徑16mm，高90mm;儲氣罐分隔為上下二部分，下部可儲水分別約9ml和4ml，上部儲水比2：1，有二個水，氣管，分別接到燃料電池對應H2和O2反應窗的水、氣接口，儲水罐中部有蓋塞作為放氣用;儲氣罐頂部有一個中間有孔的蓋，用以防止小車略傾斜時水溢出。

太陽能電池分解水制氫的步驟如下：

1.把小車放在桌面上，將小車開關撥到“指示燈”的位置。（小車上的接線不與燃料電池連接）

2.將兩個儲氣罐中部的膠塞打開，同時取注射器吸取去離子水或蒸餾水，通過儲氣罐上口向罐內注水至罐中腰下水位線。

3.儲氣罐內的水通過下部的水管注入燃料電池的H2和O2反應窗內，使燃料電池前后反應窗充滿水，然后將儲氣罐中間的膠塞重新蓋上。

4.拿出大小頭香蕉插連接線，將太陽能電池板與小車上的電解、發(fā)電二用燃料電池的紅黑接線孔進行連接。

5.將電池板放在陽光下光照，可看見排水式儲氣罐內的水向罐上部排出，下部出現氣柱。當上部的水達到指定位置時，即可將香蕉插同電池板脫開。

6.將小車上的接線同燃料電池連接。

7.可看到指示燈亮起。

8.將小車開關撥到“開”的位置。小車開始前進。

將自然光下使用太陽能電池分解水制氫所需時間進行記錄（如表1所示），可發(fā)現在其他條件都相同的情況下，生成等量氫氣所需的時間會隨著照度的增大而減小。并且由于小車在燃料電池的作用下開始行使，說明生成的氣體分別為氫氣和氧氣。

經測量，質量為210g的燃料小車在4.4ml氫氣的作用