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碱性燃料电池
阅读:14283时间:2011-09-14 11:15:43

  碱性燃料电池(alkaline fuel cell,AFC)是一种燃料电池,由法兰西斯·汤玛士·培根(Francis Thomas Bacon)所发明,以碳为电极,并使用氢氧化钾为电解质。碱性燃料电池的电能转换效率为所有燃料电池中最高的,最高可达70%。

分类

  (1)循环式电解质碱性燃料电池。电解质溶液被泵入燃料电池的碱腔,电解质在碱腔中循环使用。这一设计的优点在于它可以随时更换电解质。

  (2)固定式电解质碱性燃料电池。电池堆的每一个电池都有一个属于自己的独立的电解质,他被放在两个电解之间的隔膜材料里。这个设计由于其结构的简单性,现已广泛应用于航天飞行器中。

  (3)可溶解燃料碱性燃料电池。在电解质中混合了肼或氨这类燃料。这个设计成本低,结构紧密,制作简单且易于补充燃料。

原理

  氢氧燃料电池有两个燃料入口,氢及氧各由一个入口进入电池,中间则有一组多孔性石墨电极,电解质则位于碳阴极及碳阳极中央。氢气经由多孔性碳阳极进入电极中央的氢氧化钾电解质,在接触后进行氧化,产生水及电子。

  H2 + 2OH- → 2H2O + e-

  电子经由外电路提供电力并流回阴极,并在阴极与氧及水接触后反应形成氢氧根离子

  O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH-

  最后水蒸汽及热能由出口离开,氢氧根离子经由氢氧化钾电解质流回阳极,完成整个电路。

化学反应式

  碱性燃料电池通常用氢氧化钾或氢氧化钠为电解质,导电离子为OH-,燃料为氢。

  阳极反应:H2+2OH- →2H2O+O2   标准电极电位为-0.0828V

  阴极反应:1/2O2+H2O+2e- →2OH-    标准电极电位为0.401V

  总反应:  1/2O2+O2+H2 → H2O     理论电动势为0.401-(-0.828)=-1.229V

  AFC的催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰等。

优缺点

  AFC的优点是:

  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。

  AFC的缺点是:

  因为电解质为碱性,易与CO2生成K2CO3、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。

应用领域

  (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。

研究发展

  上世纪60年代初,中温碱性燃料电池被用于太阳神阿波罗太空飞船,标志着燃料电池技术成为民用。碱性燃料电池在太空飞行中的应用获得成功,因为空间站的推动原料是氢和氧,电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用,其供氧分系统还可以与生保系统互为备份,而且对空间环境不产生污染。

  20世纪90年代以来,众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力电池的可行性。由于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,因此,除少数机构还在研究碱性燃料电池外,大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂,一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段,将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂,如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2,克服其致命弱点后,用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此,碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。

  近年的研究表明,CO2毒化问题可通过多种方式解决,如通过电化学方法消除CO2,使用循环电解质、液态氢,以及开发先进的电极制备技术等。德国的Gulzow,E.等人2004年研究发现:当电极采用特殊方法制备时,可以在CO2含量较高的条件下正常运行而不受毒化。在电极制备中,催化剂材料与PTFE 细颗粒在高速下混合,粒径小于1μm的PTFE小颗粒覆盖在催化剂表面,增加了电极强度,同时也避免了电极被电解液完全淹没,减小了碳酸盐析出堵塞微孔及对电极造成机械损害的可能性。香港大学倪萌等人2004年提出使用氨(NH3)作为氢源在碱性燃料电池上使用将具有较好的发展前景。氨在室温下仅需8~9MPa就可被液化,不需较高能量消耗,且价格低,已有比较完善的生产、运输体系。氨具有强烈刺鼻的气味,其泄漏很容易检测。氨的爆炸范围比较小,仅15%~28%(体积比),相对安全。在碱性燃料电池使用中,只需在燃料入口增加一个重整器,将NH3分解为N2 和H2 即可。NH3的使用为碱性燃料电池的应用展开了一片较好的前景。

  在替代贵金属的催化剂方面,近年的研究集中于:如何在非贵金属催化剂的稳定性和电极性能方面取得突破,开发与贵金属复合的多元催化剂,以及提高贵金属利用率、降低贵金属负载量等。基于纳米材料的电催化剂的应用研究是该领域近年的发展方向之一,纳米材料具有大比表面积、优良的导电性,在强碱液中表现出良好的耐蚀性,碳纳米管(CNTs)可作为碱性燃料电池中H2氧化反应的催化剂或催化剂载体。2000年,印度的N.Rajalakshmi等人采用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管,经过加热、纯化、浓硝酸处理过后的碳纳米管具有类似于金属氢化物的催化活性。将其与铜粉按比例混合后制备的工作电极的电化学性能稳定、效率较高。2007年,日本汽车商Daihatsu宣布开发出一款无铂的碱性燃料电池。该技术适用于小型、有限范围的汽车,对性能和耐久性的要求不像大型汽车那么严格,但该技术还处于初级阶段,近期不会有商业化产品。

  近年来,国际研究者在CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂方面取得的研究进展,为低温碱性燃料电池的汽车应用创造了可能性。

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