燃料電池概述及其研究進展(參考版)
2025-02-28 11:36本頁面
【正文】 ！。謝 在不同地區(qū)進行的測試將大大促進燃料電池電站的商業(yè)化。目前 Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使 Ballard Fuel Cell商業(yè)化。加拿大 Ballard公司 在 PEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，現(xiàn)在它的應用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司 Ballard Generation System被認為在開發(fā)、生產(chǎn)和市場化零排放質(zhì)子交換膜燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。有學者 以高分子預聚物為膠粘劑，天然或人造石墨提供反應氣體通道 等功能。空氣極則使用以鉑金屬為載體的催化劑 。催化劑 是 PEMFC的另一個關(guān)鍵材料，三合一膜電極、燃料側(cè)雙極板、空氣側(cè)雙極板和 Acilex膜等，它們僅是側(cè)基的結(jié)構(gòu)不同而已。常用的質(zhì)子交換膜是一種 全氟磺酸基聚合物 ，工作溫度為 80℃ 。5）質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池的 電解質(zhì) 是能 導質(zhì)子的固體高分子 膜， 下圖為西屋公司在荷蘭安裝的 SOFC示范電廠，它可以提供 110kW的電力和 64kW的熱，發(fā)電效率達到 46%，運行14000h。該公司為荷蘭Utilies公司建造 100kW管式 SOFC系統(tǒng)，能量總利用率達到 75%，已經(jīng)正式投入使用。80年代中后期 ，它開始向研究 大功率 SOFC電池堆 發(fā)展。美國是世界上最早研究 SOFC的國家，而美國的 西屋電氣公司 （Westinghouse） 所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在 SOFC研究方面最有權(quán)威的機構(gòu)。雙極聯(lián)結(jié)材料 位于空氣極和燃料極之間，所以無論在 還原氣氛還 是在 氧化氣氛 中都必須具備化學穩(wěn)定性和 良好的電子傳導性 ，且其 熱膨脹系數(shù)必須與空氣極和燃料極材料的熱膨脹系數(shù)相近 。鑭系鈣鈦礦型復合氧化物 是比較好的選擇，實際中常用的有 鈷酸鑭 和 摻雜鍶的錳酸鑭 。高電導無機鹽 氧離子導體復合電解質(zhì)摻雜氯化鈉具有離子導電性 ,以 NaClAl2O3 (Al2O3用于結(jié)構(gòu)強化 ) 復合體系作為電解質(zhì)的氧濃差電池和氫濃差電池檢測表明 , 在 650～ 760 ℃ 范圍內(nèi)具有氧離子導電性和質(zhì)子導電性 ,氧離子遷移數(shù)在 700 ℃達到 . 這種既不含氧離子又不含氫離子的 NaCl 竟然具有可觀的 O 2 和 / 或 H+ 導電性是一個十分有趣的研究課題 高電導無機鹽 氧離子導體復合電解質(zhì)進一步探索研究發(fā)現(xiàn) ,LiClSrCl2 與氧化物離子導體的復合材料體系具有更高的導電性 ,采用其低共熔組成 (53 mol %LiCl +47 mol % SrCl2 ) ,并與摻雜氧化鈰構(gòu)成雙相復合體系 ,在低共熔溫度 (485 ℃ ) 之上 ,具有更為令人滿意的表現(xiàn) . 厚度 400μm 的電解質(zhì)構(gòu)成的電池 ,在 460～ 550 ℃ 的中溫范圍 ,OCV 接近 112 V , 與理論電動勢相符 ,表明為純離子導體 . 峰值輸出功率密度達到 200～ 270 mW/ cm2 [4 ] , 另一電池樣品在 625 ℃達到 500 mW/ cm2 高性能 ,具有應用價值 .最令人感興趣的中溫范圍電導率高 ,且對溫度不敏感 , 即電導活化能低 ,特別適宜燃料電池的開發(fā)應用 . 這種前所未見的高電導率材料 ,顯然來自其內(nèi)在特有的導電機理 ,付清溪在他的博士論文中 ,提出了一個理論模型 ,指出這一氧化物 無機鹽復合體系中 ,在低共熔溫度以上時 ,有四種可能的離子傳輸通道 . 其高電導性可主要歸因于液態(tài)氯化物鹽的高離子傳導和液固相界面的傳導強化作用 .然而 , 從 H2 / O2 燃料電池的應用開發(fā)角度 ,這類電解質(zhì)體系的主要不足是其高溫升華性 ,應用于燃料電池體系中 ,由于氣體 (空氣或燃料氣體 ) 高速流動 ,必須不斷補充揮發(fā)的電解質(zhì) ,這是今后應予以研究的課題 . 這類無機鹽 / 摻雜氧化鈰二相復合固體電解質(zhì)的另一個問題是 ,摻雜氧化鈰有一定程度的電子導電性 ,會導致電池的 OCV 偏低 (～ V , 理論上應為 110～ 111 V) . 以純離子導電的 Sr ,Mg 摻雜的 LaGaO3 (L SGM) 電解質(zhì)作為固態(tài)離子導電相可以克服這一問題 ,而融態(tài)的無機鹽電解質(zhì)又可以改善電極界面性能 . 基于此 ,我們率先提出以這一復相體系為電解質(zhì)的單一室 SOFC 構(gòu)型燃料極材料 應該滿足 電子導性高 ， 高溫氧化 還原氣氛中穩(wěn)定 、 熱膨脹性好 、 與電解質(zhì)相容性好 、 易加工 等要求。 Sm 摻雜的 CeO2 ,Ce0. 8 Sm0. 2O2 δ或 Ce0. 85 Sm0. 15O2 δ, 比文獻報道最多的 GDC 具有更好的應用性能 . SDC 電解質(zhì)電池的開路電壓 (OCV) 在 700 ℃可高于 019 V. 以聚乙烯醇輔助的固相反應法制備的粒徑為 20～ 30 nm的粉體 ,在 1 300 ℃ 可達到 98 % 的相對密度 ,其電導率為 01033 S/ cm(700 ℃ ) u各種氧離子導體固體電解質(zhì)YSZ 是一種熱力學穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)強度大的性能優(yōu)越的氧離子導體 ,其缺點是電導率偏低 ,僅適于高溫使用 .摻雜 Bi2O3 是迄今所知氧離子電導率最高的材料 ,而且致密化溫度很低 ( 1 000 ℃ ) ,但其致命問題是在低氧分壓下不穩(wěn)定 ,從而無法用作燃料電池的固體電解質(zhì) .氧離子導體固體電解質(zhì) 摻雜 LaGaO3 和摻雜 CeO2 ( GDC 和 SDC) 是已知的高電導率的中溫固體電解質(zhì)。釔穩(wěn)定氧化鋯（ YSZ） 是被廣泛應用的電解質(zhì)材料；氧化鈰取代氧化鋯形成的氧化物 與 YSZ相比，空氣極 電解質(zhì)界面的電壓更緩慢，但存在著電
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