文档介绍：氢和氧的反应,同时产生电流[3],制得了人类历史上第一个燃料电池。1896年, 。1900年,(Solid Oxide Fuel Cell简称SOFC)。 (Molten Carbonate Fuel Cell,简称MCFC)。 首先开始研究,他们采用碱性KOH溶液作为电解质。1902年, 首先研究以碱性KOH为电解质的燃料电池。1930年底,(培根)致力于碱性燃料电池的发展,AFC的发展进入到高速发展的阶段。到20世纪60年代,碱性燃料电池在美国航天计划中击败质子交换膜燃料电池,被应用于太空计划,同时也作为阿波罗登月计划的宇宙飞船用电池。1906年,(Solid Polymer Fuel Cell,简称SPFC),固体聚合物燃料电池真正意思上应用于实际得追溯到上世纪60年代中期,由美国通用电气(GE)为NASA
(National Aeronautics and Space Administration,美国宇航局)开发的。直到1983年,质子交换膜燃料电池才真正意义上被广泛研究,也进入到高速
发展的阶段。Ballard Power 公司首先研制出质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称PEMFC)。当然,在能源和环境的巨大压力之下,各国尤其是发达国家投入了大量的资金重新开启了燃料电池工作的研究。世界各大汽车公司也将燃料电池作为混合动力车的重要能源,因此燃料电池的研究也得到了进一步的发展。
燃料电池的特点
○1 能量转换效率高燃料电池作为能量转换工具可以将燃料的化学能不经过热能,机械能的转换
而直接转换成电能,故不受热机原理中的卡诺循环的限制,理论效率可达100%, 实际发电效率在40%以上,同时还伴随有热水和低温蒸汽的生成,其总的能量转换效率接近90%[4]。
○2 可靠性高在燃料电池内部的运行零件相对较少,不可能出现像燃气涡轮和内燃机因为
运动零件的损坏从而导致重大事故的发生。同时,套装机组可在线监控,具有自动操作的能力[5]。
○3 污染少燃料电池具有污染少,将会大量减少CO2、SO2、NOx及粉尘的排放。同时也
降低了水的消耗和废水的排放,消除了普通电厂的噪音源[5]。
○4 稳定性能好燃料电池的效率稳定,很难受容量或其他因素的影响。同时,负载追随迅速,
进而提高了电力系统的稳定性。
○5 燃料选择性广
燃料电池使用的燃料范围很广,包括多种初级燃料及火力发电厂不宜使用的低质燃料。例如:可燃性气体、甲醇、甲酸及可燃料油。
○6 容易建厂燃料电池具有组装式结构,不需要太多的辅助机构和设施,由于电池的输出
功率由单电池性能、电池面积和单电池数目决定,因而燃料电池电站的设计和制造也是很方便的。
PEMFC 组成及工作原理
氢氧质子交换膜燃料电池通过选用全***磺酸型聚合物膜为电解质,以Pt或Pt 的合金为电催化剂,以氢气为阳极气体以氧气或空气为电池的阴极气体。阳极的氢气扩散到阳极催化层时,在催化剂的作用下产生大量的H+即质子,质子经过聚合物膜交换后到达电池阴极的催化层。同时,阴极的氧气经过阳极扩散层后扩散到阴极催化层。在阴极催化剂作用下与质子,电子共同反应,生成水。因此,质子交换膜燃料电池的反应为:
阳极:H2→2H++e- ()
阴极:1/2O2+H++2e→H2O ()
总反应: H2+1/2O2→H2O ()
:
图 质子交换膜燃料电池的工作原理图
Fig Schematic working principle of PEMFC
在全***磺酸型聚合物膜的两侧为阴阳两极的电催化剂,通过将膜电介质和阴阳两极的催化剂整合为一个组件,称为三合一膜电极。整个电池具体包括:膜电极、双极板、集流体和密封垫片等组成。三合一膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池中核心部件,直接决定着电池的性能。在
三合一膜电极的两侧,分有电极的扩散层,因此膜电极的详细组成包括:阳极扩
散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层等无部分组成。通过在质子交换膜燃料电池内两极加入扩散层,利于气体的扩散、生成水的排除等优点。
目前质子交换膜燃料电池中采用的固体电解质包括DuPont公司生成的Nafion 膜、 Dow Chemical 生产的 Dow 膜及日本 Asahi