燃料电池技术-碱性燃料电池.pptx

燃料电池技术,第,4,章,碱性燃料电池,#,1,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,第四章,碱性燃料电池,2,4.1,引言,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,3,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,应,用,：,20,世,纪,60,年,代,初,期,，碱,性燃料,电,池用于,阿,波罗,航,天飞机,，,这是,碱,性燃料,电,池首次,出,现在,实,际应用,中,，它,展,现出,高,比,功率、,高,能量,转,化效率,和,运行,高,度可靠,的特点。,碱性燃料电,池,（,Alkaline,Fuel,Cell,）,是 最早研究,成功并,得,以应用的燃,料,电池。,4,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,主要,问题：,虽,然,这,些,示,范性,碱,性,燃,料,电池,系统,大,多,性,能,卓,越,，,但,是,，,诸,如,成,本,、,易操,作性,、,坚,固,耐,用,性,以,及,安,全,等,问,题,却,很,难解,决,。,示范,性的,碱,性,燃,料,电,池,被,用于,驱,动,式农,用拖,拉,机,（,Ihrig,，,1960,）,、,汽,车,（,Kordesh,，,1971,）,、,起,重,机,等,方,面,，,另,外,，,它,还,能,够为,船只,提,供,动,力,及,用,于,海,上,导,航,设,备,。,5,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,碱性燃料电池以,强,碱（如,KOH,溶液,）,为电解质。在,低温,AFC,（,低于,120,）,中,，,使,用的,KOH,溶液,的,质,量,百分比含量为,30%-45%,；,高温,AFC,（,约,260,),中，,KOH,溶液的,质,量,百,分比,含,量,可,达,85%,。它,以,氢,为,燃,料,，,氧,为,氧,化,剂,，能,量,转,化,效,率,可,达,70%,，,工,作电,压,通常在,0.5-0.9V,。,与酸,性,电,解质,相,比,，,碱,性,电,解,质,中,阴极,的,活,性过,电,位,较低,，,不仅,可,以使,用,低载,量,的贵金属,催,化剂，还,可,以,用,非,贵,金属,作,为电,极,催化,剂,。除此之,外,，碱性燃料,电池成本低，使,用,的电极材料和电,解,质（如,KOH,）,比较便,宜,，具有价格优,势,。,6,4.2,工作原理,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,E,0,=1.229V,总反,应,：,H,2,+1/2O,2,H,2,O,7,通常,AFC,由,两,个多,孔电极以,及,多孔电,极,之间的碱性,电解质组成,，工作原理具体过程为,：,碱性燃,料电池是以,强碱为,电,解质,，氢为燃,料,，氧为氧化剂,的,燃料电池，,在阳,极，氢气与碱中的,OH,在电催化剂作,用,下，发生氧化,反,应生成水和电,子,：,H,2,+2OH,-,2H,2,O+2e,-,E,0,=,0.828v,氢电极反应生成的电子,通,过外电路到达阴极，,在,阴,极,电催化剂的作用下,，,参与,氧的还原反应：,1,2O,2,+H,2,O+2e,-,2OH,-,E,0,0.401v,生成的,OH,通过饱浸碱液,的,多孔石棉膜迁,移,到氢电极,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,8,静态电解,液保持,体,：石棉膜,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,9,阳极,侧,产生水,，,而,阴,极,侧,氧,气,还,原,消,耗,水,，,需,要,等,速地从 阳极侧排出反应,生,成,的,水,，,从,而,维,持,电,解,液,浓,度,的,恒定,。,除此之外，反应,生,成,的,热,量,也,要,及,时,排,出,以,维,持,电,池温,度,的恒定,。,KOH,和,NaOH,溶液以其成,本,低,，,易,溶,解,，,腐,朽,性,低,的,特点,而成为,AFC,首选的电解质。,由,于碱,性,电,解,质,易,与,空,气,中的,CO,2,反应生成碳,酸,盐，,且,KOH,与,CO,2,反,应,生,成,的,K,2,CO,3,的,溶解度比,Na,2,CO,3,的,溶,解,度,要,高,，,所,以,通,常,选,用,KOH,溶液,作为电解质,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,10,4.3,电催化剂与,电,极,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,池,燃料电池技,术,燃料电池技术,第,第,44,章,章,碱性燃料电,11,作为,AFC,电催化剂需要满足以下几个条件,：,对于阳极氢气电氧化反应，常以雷尼,Ni,为基体材料用,作催化剂。对于阴,极,氧气电还原反应，,常,用,Ag,做催,化,剂,。,（,1,）,在,碱性条,件下,对,氢气氧化,或,氧气,还,原,具有催化,活,性,；,（,2,）,在碱性条件下具有化学和电化学稳定性,；,（,3,）,具,有,良,好,的导,电,性,或,能,担,载在,具,有,良,好,导,电,性的,载体上，如炭黑,。,对于阳极氢气电氧,化,反应，常以雷尼,Ni,为,基体材料用,作催化剂。对,于,阴,极,氧气电还原,反,应，,常,用,Ag,做催,化,剂,。,12,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,4,.,3,.,1,电催化,剂,1.,阳,极催化,剂,由,于,Pt,、,Pd,等贵金属,对,氢,电,化,学氧,化具,有较,高,的催化活性,，因,此,，对氢在金,属,Pt,电极上的电,催,化氧,化,过,程,的,研究,最为,详,尽,。,但,贵金,属,价,格,昂,贵,，为,了,降,低,成,本，,增大,氢,与,催,化,剂的,接,触,面,积,，,通常,把,Pt,、,Pd,等贵金属分散到碳表,面,，这样不仅,可以,使,其,活,性,表面,积增,大,，,同,时,碳载,体,还,可,为反,应物,提,供,物,质,传输,通道,，,增,大,散,热表,面,积,，,提,高,贵,金属,的热稳定,性。,13,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,为了,提,高催化剂,的,电催化活,性,以及抗,CO,中毒,能,力,，通,常向,Pt,中,加入第二、,第,三组分金,属,，如,Pt-,Ag,、,Pt-Rh,等二,元,及,Ir-Pt-Au,、,Pt-Pd-Ni,等,三,元合,金,催化,剂都表现,出,较好的氢电,氧,化催化活,性,，并,且,降低,了电极中,Pt,载,量。,14,此外，,利用储氢合金在室温下能可逆吸放氢的性能,，对多种储氢合金的氢电氧化催化活性的研究表,明,，,氢气可先吸附在储氢合金上，然后在储氢合金,表,面分解成氢原子，发生电化学氧化反应,，具体过程 为,：,H,2,+2M2M-H,（,4.4,）,M-H+OH,-,M+H,2,O+e-,（,4.5,）,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,M,和,M-H,分别代表催化剂和催化剂上吸附氢的中,间相,。,15,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,16,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,2.,阴极催化,剂,由于,氧在,碱,性,电,解,质,中,具,有,较,快,的,动力,学反,应,速,度,，,因,此,AFC,阴极催,化,剂,可,以,使用,贵金,属,催,化,剂,，,也,可,以,使,用,多,种,非,贵,金,属催,化剂,。,17,氧气的电还原催化活性最高的材料,：,Pt,、,Pd,等贵 金属,。,贵金属催,化,活性,高,、化学,稳,定性,好,，,但,受到价,格,和,资源等因,素,的制,约。,其中,Ag,是,AFC,中,研,究得最多的,非贵,金,属催,化,剂,。其,良好,的,催化,活,性,、稳,定性,和,电,子,导电,性,，可,以,使,氧迅,速分,解,、还,原,，,因此,，在,碱,性、,低温条件下可替代,Pt,。,Ag-O,2,的,相,互,作用较,弱,，,O-O,键,断,裂,比较,困,难,，,一般,加入,Co,、,Mg,等金属,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,18,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,4.3.2,电极结构与制备,工艺,电极,是,电化,学,反,应发,生的,场,所，,为,了,确保,电极,具,有,高,度稳,定,的气,、,液,、固,三相,反,应界,面,，,通常,采用,多,孔,气,体扩散电极,。,多孔气体扩散电极能够,为,反应,物,提供较大的,反,应面积，有利于物质传导,。,多孔电,极的,比,表,面,积,要,比,其,几何,面,积,大,几,个,数,量级,。,为了,增,加,电极,的空,隙,度，,有,时,在电,极制,备,过程,中还要加一些造孔剂,。,19,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,（,1,）,亲水,电,极是,由,金,属,粉末,构,成,的,。,这,种,电,极,的,气体,扩,散,层,的孔,径比,反应,层,的,孔,径大,。,毛,细作,用,保,证,小孔,中,含,有,电解,质,，,多孔,金,属,电,极比,较重,，但,具,有较 高的,电,导,率,，也,可用,在单,极,板,电,池结,构上,。一,般,亲,水,电极结构又分双孔电极结构和雷尼金属电极结构,。,根据,电极,表,面性,质,的不同，,将,其分,为,亲,水电极,和,疏水电极,。,20,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,21,双孔,电极结构，有两种,孔,结构：粗孔层,和,细孔,层,。,其粗孔层孔径,30um,，,细孔层孔径,16um,，,电极,厚,度约为,1.6mm,。其中,细孔层与液体电解质相接触，,而,粗孔层与气体相接触,。电池工作时，只要将反应气,与,电解质控制在一定的压差内，便能够使反应在一个,特,定的界面上进行。,必须仔细控制气体和电解质之间的压差，确保气液界,面,在一个合适的位置,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,22,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,雷尼金属电极是另一种多孔结构电极。这种电,极,是将,活性金属（如,Ni,）,和,一种非活性金属（如,Al,）,进,行混合，形成以活性组分为骨架的明显的分区结构,，,然后经过处理，除掉非活性组分，留下,空孔区域,。,常用的,雷,尼镍,就,是将重量比,1:1,的镍,粉,和铝粉制,成,合金，然后,用,饱和,KOH,溶,液将大,部,分,铝,溶解，从而,得到镍的多孔结构，反应式为,:,2Ni-Al+2NaOH+2H,2,O2NaAlO,2,+3H,2,+2Ni,（,4.8,）,23,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,（,2,）,疏,水,电极,是,掺,有聚四,氟,乙烯等,疏,水剂,的,黏,合型,电极,。,现,代电极,趋,向于使,用,碳载催,化,剂，将其,与,聚四,氟乙,烯混合，然后压在镍网上,面,，制,备,成疏,水,电极,。,为,了提高,三,相反应,界,面，一,个,好的电极,需,要提,供,电,子、液体和气体,通,道,。为了防止电解质,通,过电极，可以 在电极表面涂抹薄,薄,的一层聚四氟乙烯,，,而不用对反,应,气体加压。有时也,可,向疏水电极中加入,碳,纤维，以增加 其强度、传导性和粗糙度。,燃料电,料电池,池技术,第,第,44,章,章,碱性燃,24,25,4.3.3,石棉膜,AFC,的隔膜材料是,石,棉膜,。,在石棉膜型,碱性,燃料电池中，,饱,浸,碱,液的,石,棉膜,的,作,用,有,二,，一,是,利用,其,阻,气,功,能,，分,隔,氧化,剂,和,还原,剂；二是,为,OH,-,的传,递,提供通道,。,石,棉,的,主,要,成,分,为,氧,化,镁,和,氧,化,硅,（,分,子,式,为,3MgO.2SiO,2,.2H,2,O,）,，,具有均匀的孔,结,构，为电子绝缘体。,长,期在,浓碱的水,溶液中,浸,泡，其酸性,组,分与碱反,应,生成微溶,性,的硅酸钾。,为减少石棉,膜,在浓,碱,中的腐,蚀,，可在,石,棉,纤,维制膜,前,用浓碱,处,理，,也,可以,在,涂,入,石,棉,膜的,浓,碱中,加,入,百,分,之,几的,硅,酸钾,，,抑,制,石,棉膜的腐,蚀，减,小,膜在电池中,因,腐蚀而导,致,的结构变,化。,因为石棉对人体有害，而且在浓碱中缓慢腐蚀，为改进碱性燃料,电池,的,寿命,与,性,能,，,已,成功,开,发钛,酸,钾,微,孔,隔,膜,，,并,已成,功,地,用于,美国航天,飞机用,碱,性燃料电池,中。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,26,4.3.4,双极,板,在碱性燃料电池工作,条,件,下,，,性,能,稳,定,、,比,较,廉,价,的双,极,板材料是,镍和无,孔,石,墨,板,。,作为航天电源，要求,具,有,高,的,质,量,比,功,率,和,体,积,比,功率，因此多采用厚度,为,毫,米,级,的,镁,、,铝,等,轻,金,属,制,备,双,极板,。如,美国用于航天飞,机,的,动,态,排,水,石,棉,膜,型,碱,性,燃,料,电,池既,采用,镁板镀银或镀金,作,双,极,板,。,对地面和水下应用，,可,采,用,无,孔,石,墨,板,或,铁,板,镀,镍,作双,极,板，用腐蚀加工,工,艺,制,备,点,状,或,平,行,沟,槽,流,畅,，,再,镀镍,作为,碱性燃料电池双,极,板,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,起支撑、集流、分割,氧,化,剂,与,还,原,剂,作,用,并,引,导,氧,化剂,和,还原剂在电池内,电,极,表,面,流,动,的,导,电,隔,板,通,称,为,双,极板,。,27,4.4,电解质,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,28,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,通常,AFC,使,用,的,电,解,质是,KOH,水,溶,液,，,浓度,一,般,为,30%-45%,。按照,其,流动方式可分为,循,环和静态,两,种,类型,。,由于,空,气,中,所,含,的,CO,2,会与,KOH,发,生反,应,生,成,K,2,CO,3,，如式,（,4.9,）,所,示,，,而使电解,液,中,OH,-,的浓度减少,，,电导率降低，导致燃料电池效率降低,。,2KOH+CO,2,K,2,CO,3,+H,2,O,（,4.9,）,29,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,动态电解质的主,要,优势在于电解质能,够,随时被,去,除,和更换,。循环电解,质,通过更新电解液，,使,KOH,水溶液,在电池,内,进,行,循环,流,动，有,利,于,去,除电,解,液中,生,成的,碳酸盐，并不断补充,OH,-,。,循环电解质,的,缺,陷,是,增加了,AFC,的,复,杂,性,，因为,电,解质循环系统需要一些附加系统，如泵和管路等,。,KOH,具,有,一定的,腐,朽性，而且,KOH,溶,液的表面张,力,也使其,容,易,渗,入到,管,路的缝,隙,中,，,这就,增,加了,管,路,泄,露的可能性。,30,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,31,静,态电解,质,的管,理,方,式,是,将,KOH,溶液,固,定,在,两个电,极之,间的隔,膜,材料里，如石棉隔膜,。,隔膜材料需要有很好,的,孔,隙率、强度和抗,腐,朽,性,能。,饱,浸,碱液石棉隔膜,可,以起到,分,隔氧化剂和燃料，提,供,OH,-,传递通道,的作用。,由于静,态,电解质无法像循环电,解,质系统一样，可以随,时,更,换电解质，所以，为,了,避免电解质受到,CO,2,的,毒化作用，,采用静态电解质系统的,AFC,必须使用,纯氧为氧化剂,。采,用,静,态,电,解,质系,统的,AFC,基本结,构,如图,4.7,所,示,。,与,循环,电解质系统相比,，,无,其,他,附,属,装,置,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,燃料电池技术,第,4,章,碱性燃料电池,32,如图,4.7,33,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,使用静,态,电,解质,管理,系,统的,AFC,的问,题在,于,水、,热,管,理,。,由,于电,解,质是,静,态的,，,而电,池,工作,时,，阳,极,产生,水,，阴,极,消耗,水,，因,此,，水,管,理的,关,键就,在,于如,何,使阳,极,产生,的,水及,时,排出,，,避免,过,量的,水,进入,气,体通,道,，,导,致,电极,被,淹,；,另,一方,面,还要,确,保,阴,极,有足,够,的水,进,行,补,充。,除此之外，还需要冷,却,系统,对,AFC,进,行,冷却,。,由于静态,电,解,质,系统较,为,简单,，,所,以,，使用,这,种,系,统的,AFC,常被应用,在,航天领域，而且，,阳,极生成的水,还,可,以用,于,饮用,并,充当,冷,却系,统,的冷,却,剂。,地,面上,的,应用,则往往受到空气中,CO,2,毒化的影响，造成,AFC,的失效。,另外,，,AFC,使用的,石,棉隔膜材料对人体,有,致癌作用，在 很多国家已禁止使用。,34,近年来，有,人尝,试将,阴,离,子固,体,聚,合,物电解质,应,用在,碱,性,燃,料,电,池,中,。法,国,工,业电,化,学实,验,室,科研,人,员制备了,一,种含,有嵌,段共聚物,聚,环氧乙,烯,（,PEO,）,的,固体聚,合,物电,解质,，其离,子,电导,率,为,10,-3,S.cm,-1,。如,果,这,种,固,体,聚,合,物电,解,质,能,够,在,碱,性,燃料,电,池,中,使,用，不仅,可,以,避,免,目,前,碱,性燃,料,电,池存,在,的电,解,质,泄露,等,问题，还可以,提高碱性燃料电池的体积能量密度,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,35,4.5,AFC,性能的影响因,素,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,和存在的,问题,36,4,.,5,.,1,操作压力,从热,力学,角度,提,高系,统,工作,压,力,有,利于提,高,AFC,的性能，这,一,点可,以,从,AFC,总反应的,Nernst,方,程式,看出,:,(,4,.,10),随,着氧气和氢,气,压力的增加,；,电,池,电动势也随,之,增,加，,而且其增,加,值与反应气,压,力对数成,正,比。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,37,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,从,动力,学角,度,，,压力的,增,加会导致,交,换电,流,密度,的增大，,从,而降低电池,阴,极上的活,化,过电,位,。在,恒温与恒,电,流密度时，,电,极的化学,极,化与,反,应气,工作压力,也,成对数关系,。,大多数碱,性,电解,质,燃料,电池在工,作,时使用的是,高,压瓶或低,温,系统,中,储备,的反应气,体,。,38,高压系统的泄露,问题,解,决的,方法之一,：,在燃料电池,堆,的外部安,装,一个,充,满氮,气的封袋,，,并且使氮气,的,压力高于,氢,氧两,种,反应,气体。,在,Strasser,（,1990,）,描,述,的,西,门,子,系,统,中,，,氢,气,的,供,给,压,力,为,2.3kPa,，,氧,气,的供,给,压,力,为,2.1kPa,，,环绕,在,电堆,周,围,的,氮,气,压,力,为,2.7kPa,。一,旦,发,生,泄,漏，,氮气,就,会,进,入,电,池,，,这,虽,然,会,降,低,电,池,的,性,能,，,但,却能,有,效,阻,止,反,应,气,体,的,外泄,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,39,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,4.5.2,操作温,度,从热力学角度考虑,，随着温度的升高，电池电动势,降,低,。,从动力学角度,，温度升高不仅有利于增加阳极和阴极 的电化学反应速度，降低活性过电位损失，还可以,提,高传质速率和,OH,-,的迁移速率。同时温度升高，电,解,质的电导率也会增大，从而降低欧姆极化。,40,在实践中，温度的升高会使燃料电池的开路电压降,低,，但这种变化与活性过电压的下降相比就显得微不,足,道了，尤其在阴极更是如此。显然，,升高温度必然,会,导致碱性燃料电池的工作电压升高,。,最低,工作温,度,大量,实验的结果表明，,当,温度低于,60,，,升温,将,大有益处，因,为,温度,每,升高,1,，,每节电池,的,电压就会增,加,4mV,。按,照这个速度，当,温,度从,30,升至,60,时,，,电压会增加大,约,0.12V,，,这对于工作电压,只,有,0.6V,的,单,电池,来说，增幅是非常,大,的。,在更,高的温度下，这种,效,果仍然较为明,显,，大约为,0.5,mV,-1,左右,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,41,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,4,.,5,.,3,电解质浓,度,对,于,KOH,溶,液,，,其,电,导,率,随,着,KOH,浓度的,增加,而,增,加,；,当,KOH,浓度超,过,8,mol/L,时,，由,于,K,+,的,溶,剂,化,效,应,，,电导,率随,KOH,浓,度的,增,加,开,始呈,下降,趋,势。,42,KOH,浓度超过,8,mol/L,时,，电解质的黏度和,阻,力,增,加,，,因,此，,在碱性燃料电池,中,，,KOH,的,浓,度,一,般,不,超,过,8mol/L,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,43,4.5.4,CO,2,的毒化问题,空气中,所,含,的,（,300-350,）,ppm,的,CO,2,会导致,AFC,性能,严重,降,低,，,这,是,由,于空,气中的,C,O,2,与,K,OH,水溶,液反,应,生,成,K,2,CO,3,，,其,溶,解,度,较,低,，会,沉,积,出来,，,堵,塞,电,极,的,微,孔,，,造成催化剂中毒,。,电,解,质中,OH,-,的,浓度,因,CO,2,会降低，,而,且生,成的,K,2,CO,3,水,溶液电,导,率也,低于,KOH,，,这将增,加,电池欧,姆,极化,，,导,致电池性能下降,。,CO,2,毒化,问题,是,AFC,面,临,的,主,要,技,术,问,题,之,一，,也,是,制,约,AFC,在地,面,应,用,的,关键,问题。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,44,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,CO,2,的毒化问题的解决,方,案,：,（,1,）,化,学,吸,收法,。,通常,装,有,吸,附剂,的柱,子对,空,气,中,含,量,为,0.03%,的,CO,2,进,行,化,学,吸附,消,除,。,（,2,）,分,子,筛,选法,。,分子,筛,可,重,复使,用，,也可,有,效,降,低,空,气中,CO,2,的含量,，,使其,达,到,使,用,标,准,。,（,3,）,电,化,学,法。,这,种方,法,是,通,过电,化学,方法,除,掉,电,解质,中的,碳,酸盐,，,其,原理,是将,AFC,在短时间,内,大电,流,放电,，,阳,极,附,近,的,OH,-,浓度,降,低,，,同,时,，,碳,酸盐,从,阴极,向,阳,极,迁,移,，,随着电,流,的,继,续增,加,，,阳极,碳,酸,盐,发生,分,解,，,从,溶液,中,除,去,。,45,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,（,4,）,液,态氢协同,法,。,利,用,液态氢吸,热,气化，,使,其通,过,换,热器将,CO,2,从空,气,中冷,凝,出,来。,（,5,）,电解液循环法。,电解液循环可改,善,AFC,对,CO,2,的,承,受能力,，,或者可使用流动碱性,电,解质来及时清除形成,的,碳,酸盐。此时的缺,点,是,使,AFC,系统复杂化。,（,6,）,提高工作,温,度。,当,AFC,的,工作温度较高时,，,会增加,碳酸钾,的,溶解度，阻止碳酸钾,从,溶液中沉淀出来，进,而,可,减轻,CO,2,的毒化,影,响,。,46,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,4.5.5,氧,化剂,对,AFC,运行,特性的影响,碱,性燃,料,电池,可,采用,O,2,或,空,气,作,氧,化剂。,美,国国,际,燃料,电,池,公司,(IFC),与德,国,Siemens,贴主要,研,究,碱,性,H,2,-O,2,燃料,电,池。,而,Elenco,研究的,AFC,系统则,多采用空,气,作氧化,剂,。,后者研制的,碱,性,H,2,-,空气燃料电池,同,时可,用,O,2,作氧化,剂,。,据报道,，,E1enco,公,司,的碱,性,H,2,-,空,气,燃,料电,池若改,用,O,2,作,氧化,剂,，,在,相,同,操,作,条件,下,，,电,池,堆,电,流,密度,(,输,出,电,压,不变,),可,增加,约,50,。,相,反，,若,将空,气,直接用,于,碱,性,H,2,-O,2,燃料电池系统则会,遇,到很多麻烦。究其,原,因是,H,2,-O,2,燃料,电,池,中,的,电,极,无,法,适,应,空,气,中,存,在的,N,2,，,且对,于,空,气,中,杂,质，特别是,CO,2,更,加敏,感,。,47,4.6,排水方法和,排热,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,48,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,碱性,燃料电池的排水方,法,类型,：,（,1,）,动,态排水法,：,又称,反,应气体循,环,法。其,原,理是,用,泵,循环氢,气,，将水蒸气带出电池,，,然后在电池外部冷凝,器,中,将水蒸,气,冷凝。排水速度由氢,循,环量、电池组的工作,温,度,和冷凝,器,的工作温度决定。这,种,排水方法还能起到部,分,散,热的作用。,（,2,）,静,态排水法,：,静态,排,水的原理,是,在氢气,腔,一侧,装,置,多孔排,水,膜，将电池的氢腔与,水,蒸气腔分开，且使水,蒸,气,腔维持负压,。,（,3,）,冷,凝排水法,，,通过,水,汽冷凝板,（,非多孔,结,构,），,用,泵在冷凝板循环,冷,却,剂,（,如,水,，,电,解,质,或,制,冷,剂,）。,（,4,）,电,解质排水,法,。,通,过,循环电解,质,电池外,部,的除,水,单,元进行除水。气,化,热,是,由,电,堆,产,生,的,废,热,提,供,的。,49,动态排水法的优,点,是,：,电,堆,设,计,简,单,；,对,电,堆,尺,寸,大小,无,限制；与反应气,体,一,同,进,入,电,堆,的,惰,性,气,体,或,杂,质,不会,在,电池内部聚集；,反,应,气,体,浓,度,均,匀,；,可,以,在,大,电,流,下运行,，电流越大，通,入,的,气,体,量,越,多,，,从,而,过,量,的,水,可,被过,量,的气体带出电堆,。,动,态,排,水,法,适,用,于,静,态,或,液,体,电,解质,系,统。另外，动态,排,水,系,统,也,适,用,于,疏,水,电,极,。,与,电,解质,排,水法混合使用，,在,一,定,条,件,下,能,够,实,现,自,我,调,节,。,（阿波 罗号航天飞机）,静态排水系统：,与,动,态,排,水,系,统,相,比,，,容,易,控,制,，,只需,控,制水腔的真空度,，,易,于,实,施,。,但,电,池,内,部,需,要,增,加,排水,腔,，电池结构较复,杂。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,50,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,排热,排热过程通,常,与,排,水过程相结,合,，,特,别是在,动,态,排水时,，,可借助,气,体或电,解,质循环,而,将电池,余,热,带出,电池堆。,电解质溶液,循,环,排,热是利用泵,将,电,解,液泵出电,池,堆，使,电,解液通,过,热交换,器,，电解,液,与冷却剂,进,行热交,换,后再与,新,鲜电解,液,混合后,进,入电池,堆,循,环,使用。,在,AFC,电,池,堆中，每,隔,几个,单,电池,就,要,设,置一冷,却,循环构,成,排热系,统,。一般,的氢,-,氧,燃,料,电,池均采,用,此排热,方,式。然,而,，对于,氢,-,空气,燃,料,电,池,，,E1eno,采,用,空,气,循,环,与,电,解,质,循,环,两,种排,热,方式,。,51,4.,6.,AFC,技术发,展,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,52,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,有关,AFC,技术,开,发课题是根据其不,同,应用背景进行,的。,AFC,系,统,的主要,应用,领域有,：,(1),航天,飞行,器用动力,电,源,；,(2),军事装备电源,；,(3),电动汽车用的动力电源,；,(4),民用发,电,装置,。,AFC,系统的应,用,受到,经济可行性,与,电,池性能,两方面因,家,的制约。电池技术,开,发重点是,提高电池,系,统性能、降低,电,池造价与操作费用、增强与其他燃料电他的竞争能力,。,53,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,1,）,提高电池性能,在,AFC,技术开,发过,程中，,提,高,电,池系,统,性能,主,要从,以,下几个方面入手,。,改进,AFC,电,极结沟与,电,催化剂,，,提高电极比催,化,活性，有效提高电池堆比能量。,开发性能稳定的电催化剂，提高,电,池性能的稳定性，,降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命,。,简化,AFC,系统中的辅助设备，提,高,电池系统比能,量。,采用先进的仪器设备对所有电池,的,组成构件进行,有,效的质量控制，使整个,AFC,系统可靠性达到最优化。,54,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,2,）,改善电池系统经济,性,作为,一,般,用,途,的燃,料电,池，,必,须,考,虑其,经,济,性,。,对,于电,动,汽,车,、,民,用,发,电装,置,用的,AFC,系,统,，在,提,高电 池性能,基,础,上,，应,合,理设计,电,池,系,统中,各,个构,件,及,其,制造方,法,，,并,能形,成,生产过,程,自,动,化、,系,列化,。,这,不,仅能提,高,生,产,能力,，,也是降,低,电,池,生产,成,本的,有,效,途,径,。,55,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,(1),降,低电极,中,贵金,属,催化剂,负,载量，,开,发非贵,金,属电,极催化剂,，,减少电极材,料,费。,(2)APC,需要用,纯,氢作燃,料,，,为,扩,大,其应用,范围,，,必,须,改,进氢,气,储存,方,式,。,目前,，,贮氢,合,金材,料的,研究取得可喜成,果,，这,为,AFC,的贮,氢,问题提供,了,一,条新,的解决途,径,。,56,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,(3),对于大,功,率,AFC,系统,，,氢,气,来,源,是,多,样,化的，,包括天然气、甲,醇,、石油和煤等燃,料,。必须开,发,流程简单、投资,少,的燃料转化与分,离,技术，获,得,廉价的纯氢,。,从,当,前燃料电,池,技术,发,展趋势来看,，,由,于,AFC,需用,纯,氢作燃料,，,限制,了,AFC,的应,用范,围,和,发,展,前,景,。,在,AFC,商业化,过,程,中,，,燃,料,转化,与,分,离,费,用,的,提,高,，,使,得,AFC,与其,他,燃,料,电,池如,SOFC,，,MOFC,等的,竞,争,力下降。,57,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,1960,年,至,1970,年代，碱性燃料电池,便,已成功运用在,太空,航,空,领,域,飞行,，而,目,前,用,在,太空,船上的,AFC,，,其,机,械结,构愈来愈,简,化。,然而,，,AFC,在地,面,上的,应,用,则,是,面临,CO,2,与电,解质 反应的问,题,，因,此,必须经常,更,新电,解,质，或重,新,组,装,燃料电池,堆,；此,外,，作为电,解,质隔,膜,的石棉也,是,一,项,严重的问,题,，由,于,对人体健,康,有重,大,的危害，,有,些,国,家已经禁,止,使用,石,棉，以上,因,素导,致,碱性燃料,电,池的 使,用率,相当低。,事,实上，从,1980,年代后期，,碱,性燃,料,电池的相关,研,究与开发,已,大为,减,少，其应,用,领域,主,要集中在,太,空,宇,航,领域,。,开发应用,58,总,结,E,0,=1.229V,总反,应,：,H,2,+1/2O,2,H,2,O,AFC,由,两个多孔电极以及多孔电极之间,的,碱性电解质 组成,，工作原理具体过程为,：,碱性燃,料电池是以,强碱为,电,解质,，氢为燃,料,，氧为氧化剂,的,燃料电池，,在阳,极，氢气与碱中的,OH,在电催化剂作,用,下，发生氧化,反,应生成水和电,子,：,H,2,+2OH,-,2H,2,O+2e,-,E,0,=,0.828v,氢电极反应生成的电子,通,过外电路到达阴极，,在,阴,极,电催化剂的作用下,，,参与,氧的还原反应：,1,2O,2,+H,2,O+2e,-,2OH,-,E,0,0.401v,生成的,OH,通过饱浸碱液,的,多孔石棉膜迁,移,到氢电极,。,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,59,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,AFC,优点：,能,量转化,效,率高,。碱,性,燃料电池,操,作电压,在,0.8-0.95,V,时，,其,电能,转,换,效率,可高达,60-70%,。这是由,于,在,碱性,介,质,中,氧,的,还原,反,应,在,相,同,触,媒,（如,：,铂,/,碳,、,铂,）上,反应速率比,在其,他,电池,高,的缘,故。,可使用,非,铂催,化,剂,，如：,雷,尼金属,，,硼化镍等,，,不但,可降低成本,，也,不,受铂,资,源的,限,制。,其结构,可,使用,塑,胶,，或非,贵,重与稀,有,金属等较,为,便宜,的材料。如，镍在,碱,性燃料电池的工作,温,度下，面对 电池中的碱性电解,质,具有化学稳定性。,因,此，可采,用,镍板或镀镍,金属,板,作双,极,板。,瞬间启,动,快且,操,作温度范,围,广,，即,便,在结冰温,度,下仍,能正常运行,。,热管理较为容易,。,60,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,缺点：,以空气,作为,碱,性燃,料,电池,的,氧化,剂,，必,须,清除空,气中,所含,的,二氧,化,碳,。,当以各,种碳,氢,化合,物,的重,整,改质,气,体作,为,燃料气,体,时，,必,须,去除,气,体中,的,二氧,化,碳,，,尽,管对,小功,率电,池可,以,采用,钯,-,银,分离,膜,来处,理,，但,却,大大,增加,了发,电,系统,的,成本。,碱,性,燃料,电,池,采,用氢氧,化,钾或,氢氧,化钠为,电,解质，,进,行电化,学,反应,所,生成,的,水必,须,及时,排,出,，,以维,持,浓度，,因,此，,排,水方,法,及控,制,均增,加,了燃,料电,池的,复杂,度,和相,应,的成,本。,61,第,4,章,碱性燃料电池,燃料电池技术,本章完,