燃料電池材料研究進展-wenkub
2023-05-22 10:55:59 本頁面
【正文】 具有選擇透過性的原因。 PEMPC對膜有特殊要求，用作 PEM 的材料應(yīng)當具有良好的導(dǎo)電性，較好的化學、電化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定 性，以及足夠高的機械強度和適當?shù)膬r格。 總反應(yīng)： 2H2 + 02 ? 2H20 (1)高效節(jié)能，實際能量轉(zhuǎn)化效率達 40％ ? 50％； (2)工作電流大 (1?4 A/cm2， )，比功率高 (? )，比能量大． (3)使用固體電解質(zhì)膜，可以避免電解質(zhì)腐蝕 。 PEMFC的應(yīng)用范圍包括兩方面： (1) 固定式電源和移動式電源，其中固定式電源可分為大規(guī)模中心發(fā)電廠和小型分散式配置電站 (源 )； (2) 移動式電源則包括便攜式電源、航空航天與軍事用電源以及車輛用電源等。 4) 可調(diào)制性：由于它是組合的結(jié)構(gòu)，因而可以調(diào)節(jié)，以滿足各種需求。至今質(zhì)子交換膜燃料電池已被看作電動車和不依賴空氣推進的潛艇的最佳候選電源，成為世界各國競爭的焦點。 例如，石棉膜的研制及其在堿性電池中的成功應(yīng)用，確保了石棉膜堿性氫氧燃料電池成功地用于航天飛機。如果用戶需要交流電，還需加入直流交流逆變部分構(gòu)成總的燃料電池系統(tǒng)。 為保持電池連續(xù)工作，除了需與電池消耗氫氣、氧氣等速地供應(yīng)氫氣和氧氣外，還需連續(xù)、等速地從陽極 (氫電極 )排出電池反應(yīng)生成的水，以維持電解液濃度的恒定；排除電池反應(yīng)的廢熱以維持電池工作溫度的恒定。 燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外的儲罐中。以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過一系列發(fā)展，這項燃料電池技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。 ? 1889 年，蒙德和朗格爾采用了浸有電解質(zhì)的多孔非傳導(dǎo)材料為電池隔膜，以鉑黑為電催化劑，以鉑或金片為電流收集器組裝出燃料電池。 ? 為此，綠色能源技術(shù)引起了各國的普遍關(guān)注，并且正在逐步成為一種趨勢。經(jīng)過各方的互相協(xié)作和努力，燃料電池技術(shù)正日趨成熟。 ? 但此后的一段時間里，人們在探索燃料電池發(fā)電過程的實驗都因為反應(yīng)速度太慢而使實驗沒有成功。 ? 在 20 世紀 60 年代由普拉特 惠特尼公司研制出的燃料電池系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于宇航飛行，使得燃料電池進入了應(yīng)用階段。 當電池發(fā)電時，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應(yīng)產(chǎn)物，同時也要排除一定的廢熱，以維護電池工作溫度的恒定。 一個單池，工作電壓僅 ?，為滿足用戶的需要，需將多節(jié)單池組合起來，構(gòu)成一個電池組 (stack)。 因此一臺燃料電池系統(tǒng)相當于一個小型自動運行的發(fā)電廠，它高效、無污染地將貯存在燃料與氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)化為電能。在熔融碳酸鹽中穩(wěn)定的偏鋁酸鋰隔膜的研制成功，加速了熔融碳酸鹽燃料電池兆瓦級實驗電站的建設(shè)。 染料電池的特點 燃料電池在本質(zhì)上是電化學轉(zhuǎn)化裝置，它能夠通過電化學 過程直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，具有如下優(yōu)點 : 1) 干凈清潔：利于環(huán)保，可減少二氧化碳的排放，無噪音，并自給供水。 5) 燃料多樣性：由于燃料可以是氫氣、天然氣、煤氣、沼氣的功能碳氫化合物燃料。 二、質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 質(zhì)子交換膜型燃料電池以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉑／碳或鉑 — 釕／碳為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。 (4)工作穩(wěn)定可靠，常溫下有 80％的額定功率 。 采用過酚醛樹脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜等幾種膜，研究表明全氟磺酸型膜是目前最實用的 PEMFC電解質(zhì)。 盡管全氟質(zhì)子交換膜性能很好，使用壽命較長，但由于其復(fù)雜的制備工藝和高成本，已限制了它的廣泛應(yīng)用。主要有鉑系和非鉑系電催化劑兩類，目前多采用鉑催化劑。 鉑系電催化劑研究的另一方面是以 Pt為基礎(chǔ)摻人其它金屬或金屬氧化物，制成各種類型的合金催化劑。 目前，非鉑系電催化劑研究多集中在氧還原陽極電催化劑。 催化層則是發(fā)生電化學反應(yīng)的場所，是電極的核心部分。由于涂上的催化層很薄，并且 Nafion溶液使整個催化劑成為三相反應(yīng)區(qū)，提高了催化劑的利用率。 目前普遍采用的方法主要有三種： 電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部優(yōu)化法；排水法；反應(yīng)氣體加濕法。 目前比較普遍的冷卻方法有兩種：空冷和水冷。世界各國已開發(fā)出的商業(yè)化應(yīng)用的質(zhì)子交換膜燃料電池都存在著成本高的問題，PEMFC 的國外商業(yè)價格約為 1 500 美元 / kW，國內(nèi)的價格約為 10 000 元 / kW。目前美國杜邦公司是世界上最主要和水平最高的質(zhì)子交換膜制造商。特別是從 20世紀 80年代以來，材料科學的迅速發(fā)展使其研究開發(fā)工作更加令人矚目。 （ 3）如果以純氫為燃料可以防止 CO2 的排放，若使用化石燃料可以降低 50﹪ 的排放量，污染物和溫室氣體的排放量顯著減少， 可以減少酸雨與霧的形成和廢氣的排放量。 SOFC是全陶瓷結(jié)構(gòu)，包括 : 固體電解質(zhì)材料 陰極材料 陽極材料 連接材料 SOFC 的結(jié)構(gòu) 固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)之一是 SOFC 的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求結(jié)構(gòu)緊湊，且緊密性相當高，電池組必須有足夠的機械強度，成本和使用價格要求適中。 1. 電解質(zhì)材料 釔穩(wěn)定的二氧化鋯 (YSZ)是目前 SOFC系統(tǒng)主要使用的電解質(zhì)材料， Y203穩(wěn)定 ZrO2的關(guān)系式可用下式表示： 在此過程中， Y替代 Zr4+晶格位置，同時產(chǎn)生氧空位，氧離子通過這些氧空位實現(xiàn)其離子導(dǎo)電。 還有 3類新型陶瓷材料有望成為 S0FC的固體電解質(zhì)材料：穩(wěn)定化的 Bi203，摻雜的 CeO2以及摻雜的 LaGaO3。但尚需開發(fā)新型的陽極材料、陰極材料與之相匹配，同時它和一些燃料氣體的長期穩(wěn)定性有待深入研究。 Ni/YS
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