不含重金属的可再生燃料电池.doc

不含重金属的可再生燃料电池 学号：10101550150 姓名：张帅帅摘要：现在我们普遍使用的电池，使用之后形成的废旧电池中，含有大量的重金属等对于人体有害的物质，为了解决这些问题我们急需研究新的环境友好型的新电池。再生氢氧燃料电池作(Regenerative Fuel Cell, RFC)为一种比能量高、使用寿命长、对于环境的污染较小的新型贮能电池，引起了世界各国的广泛重视，作为贮能电池已通过航天模拟实验，并且有望转为民用。本文主要探究再生氢氧燃料电池的原理、结构、特点、主要技术难题以及未来的发展方向。关键词： 废旧电池污染、再生燃料电池、双效氧电极、未来展望1. 废旧电池的污染与危害一般地讲，电池中的有害物质主要有Hg、Cd、Pd、Ni、Zn等重金属和铅蓄电池中的H2SO4，各种碱性电池中的KOH和锂电池中的LiPF6等电解质溶液1。汞及其化合物，特别是有机汞化物，具有极强的生物毒性、较快的生物富集速率；Cd易在动植物体内富集，影响动植物的生长，具有很强的毒性；Pd可对人的胸、肾脏、生殖、心血管等器官和系统产生不良影响，表现为智力下降、肾损伤、不育及高血压等；Ni、Zn的毒性相对较小，也是人体必须的微量元素之一，但超过一定浓度范围时，会对人体产生不良影响和危害2。 再生燃料电池的比能量高、使用寿命长、对于环境的无污染，因而是研究的重点方向。2.再生燃料电池的工作原理3 再生氢氧燃料电池是将氢氧燃料电池技术与水电解技术相结合，使燃料电池2H2+O22H2O+电能与水的电解电能+2H2O2H2+O2过程得以循环进行。在电能充沛是把电能储存起来，通过使氢氧燃料电池的燃料H2和氧化剂O2可通过水电解过程得以重新出现，将电能储存在氢气与氧气中，起到蓄能的作用，在需要电能的时候，则成为一个氢氧燃料电池，可以持续对外放电，从而成为可循环再生的燃料电池。3.再生燃料电池的结构4 从再生燃料电池的工作原理可知，再生燃料电池的技术主要由四个部分组成：(1)燃料电池（FC）系统，将H2与O2的化学能直接转化为电能；（2）电解水(WE)系统,将燃料电池生成的水利用外部充沛的多余的电能重新电解成H2、O2，储存起来；(3)反应物储罐或者吸附电极,用于储存高压H2、O2和水；(4)电源调节及控制子系统。4.再生燃料电池的特点 （1）功率密度,能量密度高：目前,Ballard动力公司的PEMFC单电池功率密度已高达3W/cm2,电池组的功率已达1000W-l700W/kg5,所以包括储罐在内的功率密度在500W/kg,能密在400WH/kg以上。比现有的普通的二次电池有更强的竞争力，是未来的重点储能电池。 （2）再生燃料电池系统寿命会更长：现有的一些二次电池的寿命，随着放电深度DOD增加而迅速衰减；而再生燃料电池的寿命与DOD无关，也可以说，在100%DOD时放电次数可达成千上万次。 （3）适应大功率长时间储能要求。因为再生燃料电池功率与储能容量相独立，可以只增加反应物贮量,而不增加电池大小，就能增加储能量，因此在需要大功率大储能时，再生燃料电池重量增加很少。 （4）再生燃料电池工作电压与充放电状态关系不大，运行性能相对稳定，无自放电，充放电控制简单。 （5）采用再生燃料电池储能可降低燃料更换费用，由于水电解以及燃料电池的循环物质仅是水，即使有所损失，也比低温液态燃料的储存与运送经济、安全、方便。5.再生燃料电池的主要技术难题 可再生燃料电池使用氢气作为媒介，具有质子交换膜燃料电池(FC)和质子交换膜水电解(WE)两种运行模式，其开发关键主要取决于较低贵金属载量情况下，如何改善和提高氧电极的电化学性能，也就是要提高氧电极催化剂的催化性能和稳定性6 。同时现在的技术不够成熟、再生燃料电池的系统比较复杂，并且可靠性以及稳定性都有待提高，还有就是氧电极的催化活性问题是主要的技术问题。 再生燃料电池的电极因为涉及电解与燃料电池两个方面的反应，因而需要具有双效性，从而需要求电极催化剂具有双效性，既能催化燃料的电池反应，又能催化水电解反应。对氢电极而言，铂催化剂是现今最好的双效氢催化剂，既对氢气还原具有良好的催化活性，又对氢气氧化有良好的催化性能。而对于氧电极而言，要实现溶氧和析氧功能统一，要求电极催化剂、担体必须是化学性质稳定的。因为析氧时,新生成的氧的氧化性很强，所以要求催化剂必须是能耐氧化的、具有双效活性的、高比表面的电子导体。双效氧电极需要同时拥有析氧和溶氧的功能,电极中需要有电子的传递通道、气体的进出通道、水的进出通道，比较复杂，是目前国际上研究的重点和难点7。因而双效氧电极的制作是再生燃料电池的最主要也是最重要的技术难题。6. 再生燃料电池的未来展望 随着现代科技的不断进步及人类对提高环境质量的永恒追求，传统的化石燃料必将被新一代清洁无污染、可再生的燃料所取代，这是人类技术文明道路上的一个不可回避的重大课题。氢能作为新一代能源，有着能量转化率高、对环境完全友好及可再生的特点8 ,而可再生燃料电池，因为可以利用太阳能、风能等可再生能源在能源充沛时将能量以氢能的形式储存起来，当需要时可直接将储备的氢能的化学能转化为电能，具有转化效率高，完全无污染的特点9，因此，在交通、便携式能源系统及航天器的储能和动力源系统等领域都有着广泛的应用前景，相信在不久的未来，如果可以攻克造价以及稳定性的问题后必将带来一次电池领域的革命。参考文献1戴志群-化学废旧电池的环境污染和利用-化学教育-2005年第1期2王金良-再谈废电池的污染及防治-电池工业-2003.2.第8卷第1期 3Baron.F-European spacea gency fuel cell activities.J.Power Sources-1990.24邵志刚，衣宝廉，俞红梅-再生氢氧燃料电池-化学通报-2000年第3期5 PraterKB.J-power sources-1996,66曾亚平再生燃料电池催化剂载体及催化剂的研究上海交通大学。2012.2.7衣宝廉燃料电池现状与未来-电源技术1998.第5期8毛宗强氢能21世纪的绿色能源.北京：化学工业出版社2005.9Mcelroy J F. SPE reg