10 燃料电池材料

1010 燃料电池材料燃料电池材料 第10章燃料电池材料1 燃料电池 Fuel Cell 是能量转换装置 燃料电池的工作原理 燃料气 氢气 甲烷等 在阳极催化剂的作用下发生氧化反应 生成阳 离子并给出自由电子 氧化物 通常为氧气 在阴极催化剂的作用下发 生还原反应 得到电子并产生阴离子 阳极产生的2 阳离子或者阴极 产生的阴离子通过质子导电而对电子绝缘的电解质运动到相对应的 另外一个电极上 生成的反应物随未反应完全的反应物一起排到电池 外 与此同时 电子通过外电路由阳极运动到阴极 使整个反应过程达 到物质的平衡与电荷的平衡 外部用电器就获得了燃料电池所提供的 电能 3 燃料电池的基本组成 燃料电池的基本组成有电极 电解质 燃料和催化剂 二个电极被一个位于这它们之间的 携带有充电电荷的固态或液态 电解质分开 4 燃料电池的分类 按电解质的种类不同 有酸性 碱性 熔融盐类或固体电解质碱性 燃料电池 AFC 质子交换膜燃料电池 PEMFC 磷酸燃料电池 PAFC 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 固体氧化物燃料电池 SOF C 5 AFC电池使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质 6 PAFC电池以磷酸为电解质 通常位于碳化硅基质中 7 MCFC电池采用碱金属 Li Na K 的碳酸盐作为电解质 8 燃料电池的特点 1 环保清洁 环保 不需要锅炉 汽轮机等大型设备 没有SO x NO x气体和固体粉尘的排放 2 高效 由于其转化过程没有经过热机过程 因此效率高 3 适用性 由于污染小 无噪音 可靠 可使用于终端用户 因 而可减少各种损失 并节省设备投资 4 燃料多样性 燃料可以是氢气 天然气 煤气 沼气的功能碳 氢化合物燃料 9 碱性燃料电池的电极反应方程式 负极反应 eOHOHH444222正极反应 OHeOHO4422210 碱性燃料电 池的工作温度大约80 11 碱性燃料电池的优点 效率高 因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高 因为是碱性介质 可以用非铂催化剂 因工作温度低 碱性介质 所以可以采用镍板做双极板 12 碱性燃料电池的缺点 因为电解质为碱性 易与CO2生成K2CO 3 Na2CO3沉淀 严重影响电池性能 所以必须除去CO2 这给其在 常规环境中应用带来很大的困难 电池的水平衡问题很复杂 影响电池的稳定性 13 碱性燃料电池中 空气能否作为氧化剂 为什么 其原料不能含有二氧化碳 因为二氧化碳能与氢氧化钾电 解质反应生成碳酸钾 降低电池的性能 14 低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷 使其在汽车上的应 用受到限制 15 碱性燃料电池 AFC 是最早开发并获得成功应用的燃料电池 其在汽车上的应用受到 限制的原因 碱性燃料电池的电解质为碱性 空气中CO2易与碱性电解质反应生成 碳酸钾 严重影响电池性能 16 磷酸燃料电池 PAFC 是以浓磷酸为电解质 以贵金属催化的气 体扩散电极为正 负电极的中温型燃料电池 17 磷酸型燃料电池的特点 1 发电效率在35 43 之间 大容量电站效率较高些 热电联供时 总效率为71 85 2 洁净 对环境污染小 没有 或很小 转动部件 振动和噪声污染 也很小 3 随着技术不断改进 PAFC电站 特别是50kW和200kW电站 其无 故障连续运行时间在不断加长 4 满负荷运行可达到40000h 电池的输出电压的降低不大于10 5 装置紧凑 检修空间小 维修困难 6 PAFC电站可使用各种气态或液态燃料 主要是使用天然气或液化 天然气 也可以使用液化石油气 煤油 沼气等 7 降低造价与技术的改进 标准化和大规模生产分不开 18 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 的工作温度为600 700 导电离子为碳酸根离子 19 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 的反应方程式 阴极CO2 1 2O2 2e CO32 阳极H2 CO32 H2O CO2 2e 总反应H2 1 2O2 CO2 阴极 H2O CO2 阳极 20 熔融碳酸盐燃料 电池 MCFC 的特点 由于MCFC的工作温度为600 700 属于高温燃料电池 其本体发电效率较高 不需要贵金属作 催化剂 既可以使用纯氢作燃料 又可以使用由天然气 甲烷 石油 煤气等转化产生的富氢合成气作燃料 可使用的燃料 范围大大增加 排出的废热温度高 可以直接驱动燃气轮机 蒸汽机 进行复合发电 进一步提高系统的发电效率 21 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 对燃料电极材料的基本要求 1 导电性能好 2 耐高温特性好 3 对电解质 熔融碳酸盐 具有抗腐蚀性 4 在燃料气体等还原性气氛中很稳定 5 在高温下不发生烧结现象和蠕变现象 机械强度高 22 熔融碳酸盐燃料电池 目前常用的空气电极材料是掺1 2 Li 的NiO 其存在的问题是什么 目前存在的最大问题是 在电池运转 中电极中的Ni逐渐被溶解在电解质中 使长期运转时 电解质中析 出Ni 因此燃料电极和空气电极有时发生短路现象 23 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 的隔膜材料目前广泛使用的是LiAl02 其具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀的能力 24 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 需要解决的关键技术 1 阴极熔解MCFC电极为锂化的NiO 随着电极长期工作运行 阴极在熔盐电解质中将要发生熔解 熔解 产生的Ni2 扩散进入到电池隔膜中 被隔膜阳极一侧渗透的H2还原 称金属Ni 而沉积在隔膜中 严重时导致电池短路 2 阳极蠕变MCFC阳极最早采用烧结Ni做电极 由于MCFC属于高温燃 料电池 在高温下还原气氛中的Ni将蠕变 从而影响了电池的密封 性和电池性能 3 熔盐电解质对电极双极板材料的腐蚀MCFC双极板通常用的材料是 SUS310或SUS316等不锈钢 长期工作后 会造成电 极双极板材料腐 蚀 为提高双极板的抗腐蚀性能 一般国外采取在双极板表面包覆 一层Ni或Ni Cr Fe耐热合金或在双极板表面上镀Al或Co 目的是提高抗腐蚀性能 4 电解质流失问题随着MCFC运转工作时间的加长 熔盐电解质将按 照以下的途径发生部分流失 为了保证MCFC内部有足够的电解质 一般在电池结构上增加补盐设 计 如在电极或基板上加工一部分沟槽 用在沟槽中贮存电解质的 方法补盐 使延流失的影响降为最低 25 为了保证熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 内部有足够的电解质 一 般在电池结构上增加补盐设计 26 固体氧燃料电池 SOFC 的优点 全固态的电池结构 避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液 流失等问题 不需要使用贵金属催化剂 大大降低成本 在高的工 作温度下 电池排出的高质量余热可充分利用 既可用于取暖 也可 与燃气轮机 蒸气轮机联合循环发电 单循环时 燃料发电效率可超过60 总体系效率可高达85 燃料适 用范围广 不仅可以用H 2 CO等作为燃料 而且可以用天然气 煤气 碳氢化合物以及可燃 烧的物质 如NH 3 H2S等 作为燃料发电 27 固体氧燃料电池 SOFC 的电解质材料可以是氧离子导体或质子 氢离子 导体 28 氧离子电导SOCF的工作原理及电极反应方程式 简单的氧离子电导SOFC由阴极 阳极和电解质所组成 氧分子在空气极得到电子 被还原成氧离子O2 在电解质两侧电位差和浓度差驱动力的作用下 氧离子 通常以氧 空位的形 式 通过电解质 固态 传输到阳极 并在阳极同燃 料发生反应 生成水和电子 电子通过外电路回到阴极 阴极反应O2 4e 2O2 阳极反应H2 g O2 H2O g 2e 总反应2H2 O2 2H2O29 氢离子电导SOCF的电极反应方程式 阳极反应H2 2H 2e 阴极反应2H 2e O2 H2O 总反应H2 O2 H2O30 固体氧燃料电池 SOFC 的发展 趋势是中低温化方向发展 31 中低温SOFC的优点 1 提高单位体积的功率密度 2 可应用廉价的金属材料 3 确保运行可靠性 4 减轻了各元件间的热失配程度 5 适应快速启动和频繁的热循环 可用作移动电源 6 易于密封 32 固体氧燃料电池 SOFC 的电解质必须具备的条件 高的离子电导率和可以忽略的电子电导率 在氧化和还原气氛中具 有良好的稳定性 能够形成致密的薄膜 足够的机械强度和较低的 价格等 33 高温SOFC电极必须具备的条件 a多孔性 b高的电子导电性 c与固体电解质有高的化学和热相容性 以及相近的热膨胀系数 34 质子交换膜燃料电池 PEMFC 的工作原理及电极反应方程式 阳极反应H2 2H 2e 阴极反应1 2O2 2H 2e H2O 总反应1 2O2 H2 H2O35 质子交换膜燃料电池 PEMFC 的 优点 1 能量转换效率高 2 环境友好 可实现 低排放 或 零排放 是环保型能源 3 运行噪声低 可靠性高 4 维护方便 5 发电效率受负荷变化影响小 6 所用燃料易得 36 质子交换膜燃料电池 PEMFC 的缺点 1 膜的价格高 生产所需技术高 能生产的厂家少 2 对CO敏感 需要尽可能降低燃料中CO的浓度 以避免催化剂中 毒 3 催化剂成本较高 由于以贵金属铂作为催化剂 因此催化剂成本较高37 质子交换膜燃 料电池 PEMFC 必须具备的条件 1 要有高的电催化活性 对副反应抑制 2 要有高的电催化稳定性 主要防止CO中毒 3 要有大的比表面积 4 要有适当的载体 常用的有活性炭 炭黑 5 要有好的导电性38 H2中含有的CO和CO2均会使Pt催化剂中毒 39 如何解决CO中毒 1 降低CO含量渗氧法 在燃料增湿器中加入少量的H2O2 2 研究抗CO中毒的催化剂 主要采用Pt复合催化剂40 质子交换膜 燃料电池 PEMFC 的质子交换膜应具有的性能 1 具有优良