燃料电池的基本结构主要由阳极、阴极、电解质和外 电路组成。其阳极为氢电极,阴极为氧电极,两电极间是电解质。通常阳极和阴 极上都含有一定量的催化剂,以加速电极上发生的电化学反应。 根据所使用的电解质类型、燃料来源等的不同,燃料电池可分为以下 5 种类型 (见附表):碱性燃料电池(AFC)、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(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。 1.2 质子交换膜燃料电池工作原理 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型燃料电池, 其电解质是一种固体有机 膜,在增湿情况下,膜可传导质子。它一般采用铂做催化剂,工作环境温度一般 为 60 一 80℃,属低温燃料电池。 质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈和带有导气通道的流场板组 成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分,中间是一层很薄的膜—质子交换 膜(PEM),这种膜不传导电子,是氢离子的优良导体,它既作为电解质提供氢离 子的通道,又作为隔膜隔离两极反应气体。膜的两边是气体电极,由碳纸和催化 剂组成,阳极为氢电极,阴极为氧电极。流场板通常由石墨制成。质子交换膜燃 料电池以氢为燃料,空气或纯氧为氧化剂。多个电池单体根据需要串联或并联, 组成不同功率的电池组(电堆)。 质子交换膜燃料电池的工作原理如附图所示: (l)氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极, 通过电极上的扩散层到达质 子交换膜。 (2)氢气在阳极催化剂的作用下解离为 2 个氢离子,即质子,并释放出 2 个电 子。 (3)在电池的另一端,氧气或空气通过双极板上的导气通道到达电池的阴极, 通过电极上的扩散层到达质子交换膜。同时,氢离子穿过电解质到达阴极,电子 通过外电路也到达阴极。 (4)在阴极催化剂的作用下,氧与氢离子和电子发生反应生成水。 src="http://www.cnfuelcell.com/img/200638101526.gif"> 与此同时,电子在外电路的连接下形成电流,通过适当连接可以向负载输出电 能。生成的水通过电极随反应尾气排出。 1.3 燃料电池的特点 (1)能量转化效率高。效率高达 50%一 60%,通过对余热的二次利用,总效率 可高达 80%一 85%。 (2)无污染,可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。 (3)效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达 60%,短时过载能力 可达到 200%的额定功率。 (4)运行噪声低,可靠性高。无机械运动部件,工作时仅有气体和水的流动。 (5)构造简单,便于维护保养。模块化结构,组装和维护方便;没有运动部件, 磨损之类故障少。 (6)燃料(氢气)来源广泛。制备方法多样,可通过石油、甲醇等重整制氢,也可 通过电解水、生物制氢等方法获取氢气。 (7)燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料,利用现有的加油站系统,采 用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。 (8)环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气,因此可两 栖使用,适应多种环境及气候条件。 1.4 燃料电池的燃料 燃料电池研究开发已有多年, 工业化中遇到的最大问题是开发能及时和有效进 行燃料转化的技术。燃料电池用的燃料主要有 4 种:氢、清洁烃、甲醇、乙醇, 它们各有其优点和不足。以用于燃料电池车来看:用氢气作燃料需要的成本低、 整套工艺,但需要专门销售部门和安全设施,在进入市场前必须对公民进行知识 性教育,保证用氢安全。氢的基础设施的成本和风险需要在汽车制造商、燃料提 供商和政府之间协调解决。如果用汽油,主要问题是要减轻燃料电池受硫污染, 因此必须使用清洁汽油, 此外还有汽油转化问题。 如果用甲醇, 主要是毒性问题, 要解决其用法和成本。乙醇作为燃料电池车的燃料来讲,主要是价格问题。目前 只可能与柴油或汽油一起用来控制油价。 种燃料中目前看来, 4 清洁烃是最好的。 长远看来,氢是最佳选择。但是它们都有缺点:烃和甲醇来自石油及其衍生物, 甲醇毒性大,乙醇价格高,氢难以储存。 2 燃料电池的历史及现状 2.1 试验室研究阶段 这个阶段从 1840 年, 格洛夫(Grove)发明氢氧气体电池开始至 1952 年, Bacon 畔 研究成功具有实用性的培根电池并获得专利止,约 100 余年。 (1)格洛发现 4 个电池串联,可用来电解水并产生 H:及 02。当时所用铂片宽度 约 6mm,浸入电解液形成的半月浸润面约 Zmm 高,因此输出的电流很小,难于 做成有实用价值的电源。但有两点对以后燃料电池的发展具有深远影响:①第一 次提出用氢作为燃料电池直接燃料电极;②第一次提出反应气体、电解液和导电 电极催化剂三相反应区的概念。 (2)氢作为燃料显然太贵了,固体碳是自然界最普通的燃料。因此,Grove 之后 的很长一段时间(直到 20 世纪前半叶)许多学者对固体碳燃料电池进行了多方面 研究,但都未获成功,原因是:①碳很难发生电化学反应;②天然碳中含有灰分, 不易清除且污染电解质;③固体物质难于连续输送。人们最终放弃了以固体碳为 直接燃料的努力,而以固体碳燃料经过气化而得到的气体燃料(含 H:及 CO)为燃 料电池的间接燃料。日本学者高桥武彦对燃料电池反应机理描述如下:燃料}电解 质}氧化剂(空气及 02)(+)有两种反应途径:①电子(外回路)燃料氧化剂氧化生成物 燃料离子(内部);②电子(外回路)氧化生成物燃料氧化剂阴离子(内部)。可见,无 论是燃料还是氧化剂,能被离子化并在电池内流动是十分重要的。同时,在氧化 生成物一侧并不发生离子化。 (3)1952 年,FTBacon 研制出具有实用性的培根电池并获得专利。其研制思路 是避免采用贵重金属,并尽量获取较高的输出功率。在借鉴前人研制经验的基础 上,采用双层孔径烧结镍电极,27%一 37%的 KOH 水溶液电解质,纯氢和纯氧 为燃料和氧化剂,副产物是纯水。后来,培根电池专利转让给美国普拉特一惠特 尼飞机公司(即现在的 UTC 公司),并改进成阿波罗登月飞船电源。当时,这是 唯一能满足要求的电池,假如没有这种高性能电池,登月计划是难于实现的。因 此,我们称培根电池是燃料电池由实验走向实用的里程碑性质的电池。 2.2 实用性开发阶段 这个阶段大致从 20 世纪 60 年代开始一直延续至今。 可分以下几个主要应用领 域。 (1)航天用燃料电池的开发。 质子交换膜燃料电池(PEMFC)由美国 GE 公司首先开发成功,应用于吉米尼号 宇宙飞船(1965 年)。但由于当时采用聚苯乙烯磺酸膜,不耐氧化,寿命只有 500h 左右。因此,美国 NASA 最后选用了碱性燃料电池。20 世纪 80 年代以后,美国 研制成功全氟磺酸离子交换膜(Nafion 膜和 Dow 膜)及膜电极工艺,性能得到突 破化进展,电池寿命可达 5000h。由于碱性燃料电池在航天应用中已定型,所以 经改进, 性能优异的质子膜燃料电池在航天领域的应用有向再生式燃料电池发展 的趋势。碱 J 哇电解质燃料电池(APC)有两种碱性燃料电池开发为航天用燃料电 池,即改进的培根电池及石棉膜型碱性燃料电池。阿波罗宇宙飞船采用改进的培 根电池(PC3A 一 2 型), 电池平均输出功率 600W, 但要求在工作电压范围内能输 出 1420W,目的是防止万一出故障,三组电池中有两组失效,剩余一组仍能输 出足够功率,保证飞船安全返回地面。燃料电池(PC 17 一 C 型)改用石棉体含 32%KOH 水溶液为电池隔膜,因负载变化而引起的电解液体积增减,由饱含电 解液的多孔镍贮液板调节,电极催化剂与石棉隔膜之间,借助添加适量 PTFE 形 成稳定的三相反应区,免除了笨重的双层孔径烧结镍电极及复杂的压力控制系 统, 大大减轻了质量。 电池冷却用氢气循环, 2 个单体之间放一块冷却板。 每 12kw 电池系统由 96 个面积为 470cm2 的单体电池,32 串联后再三并形成,电压 28 一 犯 V,单电池厚 7.6mm,双极板由镀金镁板构成。正极氧电极为载有 10mg/cm, 铂一金催化剂的金网(100 目), 负极为载有 10m 岁 cmZ 铂催化剂的银网, 石棉基 体 0.smm 厚,电解液贮液板为烧结多孔镍板,氢冷却板为镀金镁板。电池组工 作温度 83℃,工作压力 0.4lMPa,平均输出功率 7kw,峰值功率 12kw,电压 27.5 一 32.5V,寿命 2500h,可供多次飞行,直到累积飞行时间达 2000h 为止。 阿波罗飞船电池的单位功率比重为 40kg/kw,航天飞机用电池的单位功率比重 为 3.6kg/kw·为了适应未来的 1000kw 级、更长寿命的航天电源要求,20 世纪 80 年代中期以后对上述电池进行改进,使工作温度提高到巧 0℃,压力提高到 1.4MPa,电流密度提高到 6~7A/cm,,单位功率比重达到 0.56k 岁 kw,若将此 技术用于现在的航天飞机,在 83℃,0.4MPa 情况下工作寿命可达 10000h。汽车 电子。 汽车电子 发表于:2009-07-07 14:07:49