铜锌催化剂协同稀土改性促进甲醇水蒸气重整制氢及其燃料电池集成应用研究

本研究针对燃料电池氢源储运难题，开发了Sm/Gd/Ce稀土改性的Cu-Zn催化剂，通过均相沉淀法(HP)制备的CuO/ZnO/Sm2O3/CeO2在240°C实现90%甲醇转化率，耦合HT-PEMFC构建完整系统并稳定输出20W电力，为分布式供能提供了新方案。

　　

随着全球能源转型加速，氢能作为清洁能源载体面临储运成本高、基础设施不足等挑战。甲醇水蒸气重整(SRM)技术因其液体原料易储运、反应条件温和等特点，成为现场制氢的理想选择。然而传统SRM催化剂存在铜分散度低、反应温度高、副产物CO多等瓶颈，严重制约其与燃料电池的集成应用。

台湾省科技部资助的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表创新成果，通过稀土元素精准调控Cu-Zn催化剂性能，成功构建了高效SRM-燃料电池集成系统。研究采用均相沉淀法(HP)和共沉淀法(CP)制备催化剂，通过FE-SEM、BET、XRD等技术表征材料特性，在U型不锈钢填充床反应器(PBR)中进行SRM测试，并耦合高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)验证系统性能。

主要技术方法

1. 对比HP与CP法制备的Cu-Zn催化剂性能差异

2. 引入Sm/Gd/Ce稀土元素作为促进剂优化催化剂

3. 通过GC-TCD分析富氢气体(HRG)成分

4. 构建SRM反应器与HT-PEMFC集成系统

研究结果

材料与试剂

采用Cu(NO₃)₂·2.5H₂O、Zn(NO₃)₂·6H₂O等前驱体，通过控制尿素浓度(1.5M)优化HP法制备条件。

催化剂特性鉴定

HP法制备的催化剂比CP法具有更高比表面积和铜分散度，TPR分析显示稀土添加使还原温度(T₉₅)降至198°C，XRD证实Sm₂O₃/CeO₂协同提升CuO还原活性。

结论

Cu₄Zn₂Gd₃Ce1催化剂表现出最优性能：甲醇转化率>90%、铜分散度58.3%、CO选择性<1%。集成系统实现30W峰值功率输出，连续运行显示良好稳定性。

该研究通过稀土元素电子调控策略，突破传统Cu-Zn催化剂性能限制，为分布式氢能系统提供了新材料体系和技术方案。特别值得注意的是，低温高效制氢特性使该系统可适配车载等移动场景，而稀土元素对CO生成的抑制效应直接提升了燃料电池耐久性。研究成果对推进氢能基础设施建设具有重要实践意义，其催化剂设计思路也可拓展至其他重整反应体系。