燃料电池基本原理

NO.012燃料电池基本原理燃料电池定义和特点：一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置；是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术；不受卡诺循环效应的限制，具有高的能量转化效率；几乎无排放，环境友好。燃料电池基本原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。各种燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池（PEMFC）PEMFC工作原理：质子交换膜型燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells， PEMFC）以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板，多种部件堆叠而成的电输出器件。PEMFC工作原理示意图PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂的作用下发生电极反应：该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生产水。生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。PEMFC的组成结构图PEMFC的发展简史20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于双子星座航天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池寿命的短路，且还污染了电池的生成水，使宇航员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜，延长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC)，造成PEMFC的研究长时间内处于低谷。1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下，PEMFC取得了突破性进展： 采用薄的（50-150微米）高电导率的Nafion和Dow全氟磺酸膜，使得电池性能提高数倍；采用铂炭催化剂代替纯铂黑，在电极层中加入全氟磺酸树脂，实现了电极的立体化。阴极、阳极与膜热压到一起，组成电极-膜-电极“三合一”组件（membrane-electrode-assembly， MEA）。这种工艺减少了膜与电池的接触电阻，并在电极内建立起质子通道，扩展了电极反应的三相界面，增加了铂的利用率。不但大幅度提高了电池性能，而且使电极的铂载量降至低于0.5mg/cm2，电池输出功率密度高达0.5-2.6W/cm2，电池组的质量比功率密度和体积比功率密度分别达到700-1600W/kg和1000-3000W/L。PEMFC的特点与用途PEMFC的除了具有燃料电池的一般优点外，PEMFC还具有： 1）室温下快速启动； 2）无电解质液流失； 3）比功率和比能量高； 4）寿命长。PEMFC的用途：作为电化学转换装置，PEMFC的用途还包括： 1）分布式电站； 2）移动电源，是电动车、移动通信和潜艇等的理想电源； 3）也是最佳的家庭动力源。PEMFC的主要部件PEMFC的电极：PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少有两层构成：起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行的催化层。PEMFC扩散层的功能1）起电池的支撑作用：要求扩散层适于担载催化层，扩散层与催化层的接触电阻要小；催化层主要成分是Pt/C电催化剂，故扩散层一般选炭材制备；2）反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应，因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布，有利于传质。3）阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电流，阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子，即扩散层应是电的良导体。因为PEMFC工作电流密度高达1A/cm2，扩散层的电阻应在mΩ/cm2的数量级；4）PEMFC效率一般在50%左右，极化主要在氧阴极，因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良导体；5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保持。扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流。这是扩散层制备过程中最难的技术问题。PEMFC的催化剂1）担载型催化剂：催化剂--高分散的纳米级Pt颗粒；担体--高导电、抗腐蚀的乙炔炭黑等。2）Pt/C电催化剂：胶体铂溶胶法、离子交换法、H2PtCI6直接还原法、真空溅射法。3）Pt-M/C电催化剂：共沉淀法、以Pt/C催化剂和过渡金属盐水溶液为原料制备（还原）、真空溅射法。Pt-M-HxWO3/C电催化剂复合担体PEMFC的质子交换膜它是PEMFC的最关键部件之一，直接影响电池的性能与寿命。质子交换膜应满足的要求：1）高的H+ 离子传导能力；2）在FC运行条件下，膜结构与树脂组成保持不变，即具有良好的化学和电化学稳定性；3）具有低的反应气体渗透性，保证FC具有高的法拉利效率；4）具有一定的机械强度。种类化学结构摩尔质量EW（g/mol）Nafion膜x=6~10，y=z=11100Dow膜x=3~10，y=1，z=0800~850EW值，Equivalent Weight，表示1mol磺酸基团的树脂质量，EW值越小，树脂的电导越大，但膜的强度越低。膜的酸度通常以树脂的EW值表示，也可用交换容量（IEC，每克树脂中含磺酸基团的物质的量）表示，EW和IEC互为倒数。PEMFC的质子交换膜目前使用的主要是Du Pont杜邦公司的全氟磺酸型质子交换膜，即Nafion膜，售价高达＄500-800/m2。因此，开发性能优良的交换膜是当前研究的热点之一。全氟磺酸型质子交换膜传导质子必须要有水存在才行，其传导率与膜的含水率呈线性关系。实验表明，当相对湿度小于35%时，膜电导显著下降，而在相对湿度小于15%时，Nafion膜几乎成为绝缘体。PEMFC的双极板PEMFC电池组一般按压滤机方式组装。双极板必须满足下述功能要求：① 实现单电池之间的电联结，因此，它必须由导电良好的材料构成；② 燃料（氢）和氧化剂（氧）通过由双极板、密封胶等构成的共用孔道，经各个单池的进气管导入，并由流场均匀分配到电极各处；③ 因为双极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道，所以双极板必须是无孔的；如果由几种材料构成的复合双极板，至少其中之一是无孔的，实现氧化剂与燃料的分隔；④ 构成双极板的材料必须在阳极运行条件下（一定的电极电位、氧化剂、还原剂等）抗腐蚀，以达到电池组的寿命要求，一般为几千小时至几万小时；⑤ 因为PEMFC电池组效率一般在50%左右，双极板材料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出；⑥ 为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于加工，最优的材料是适用于批量生产加工的材料；至今，制备PEMFC双极板广泛采用的材料是石墨和金属板。PEMFC的双极板采用蛇形流场的石墨双极板图双板板流场结构示意图PEMFC的双极板流场流场：作用是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处，经扩散层到达催化层参与电化学反应。流场主要有：网状、多孔、平行沟槽、蛇形和交指状等，还包括了丰田特有的专利3D流场。流场设计是至关重要的，而且很多是高度保密的专有技术。点型流场平行沟槽流场至今，