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燃料电池种类:5种燃料电池基础化学

时间:2023-10-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:另外电池的水平衡问题很复杂,影响电池的稳定性。刚开始时PEMFC用氢作为燃料,电池反应实际上是H2和O2反应生成水。采用气体扩散电极,以提高电池的性能。现用有机小分子(甲醇)作为PEMFC燃料,所制成的直接甲醇燃料电池被认为是电动汽车的最佳候选。思考燃料电池有哪几种?

燃料电池种类:5种燃料电池基础化学

按照工作温度分类:分为高、中、低温型。

按照燃料来源分类:分为直接式燃料电池(如直接甲醇燃料电池)、间接式燃料电池。

按照电解质类型分类:分为五大类,即磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

1.磷酸型燃料电池(PAFC)

电解质:浓H3PO4

正极和负极:高分散Pt

工作温度:180~210℃

燃料:H2

电池反应:

负极反应:

正极反应:

优点:能在低温下发电,而且稳定性良好;余热可以生产人们日常生活用热水;启动时间短。抗CO2,可应用于独立电站。

缺点:效率比其他燃料电池低,约为40%;必须用贵金属催化剂,且Pt对CO敏感,CO可使催化剂失活(≥1%)。

2.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

电解质:Li2CO3-K2CO3(Na2CO3

正极和负极:高分散Ni

工作温度:600~700℃

燃料:CO或H2

电池反应:

负极反应:

正极反应:

优点:①反应温度高,电极反应容易,无论氧化或是还原,都不需贵金属作催化剂,降低了成本;②可以使用CO含量高的燃料气,如煤制气;③电池排放的余热温度高达400℃之多,可用于底循环或回收利用,使总的热效率达到80%;④可以不需用水冷却,而用空气冷却代替,尤其适用于缺水的边远地区。

缺点:①高温以及电解质的强腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀性能有十分严格的要求,电池的寿命也因此受到一定的限制;②电池密封难度大,尤其在阳极区,易遭受到严重的腐蚀,机械稳定性差;③电池系统中需要有CO2循环,将阳极析出的CO2重新输送到阴极,增加了系统结构的复杂性。

3.固体氧化物燃料电池(SOFC)

电解质:ZrO2

正极和负极:多孔Pt

工作温度:800~1000℃

燃料:H2或CO

电池反应:

负极反应:

正极反应:

优点:燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点,可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。无需CO2再循环。(www.xing528.com)

缺点:工作温度高,导致制备工艺复杂,价格昂贵。

4.碱性燃料电池(AFC)

电解质:KOH或NaOH

正极和负极:贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰

工作温度:室温~100℃

燃料:H2

电池反应:

负极反应:

正极反应:

优点: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,成本低。

缺点: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。另外电池的水平衡问题很复杂,影响电池的稳定性。

5.质子交换膜燃料电池(PEMFC)

电解质:质子交换膜(如Nafion膜,一种全氟磺酸膜)

正极和负极:高分散Pt(-Ru)

工作温度:25~120℃

燃料:H2或甲醇

电池反应:

负极反应:

正极反应:

优点:清洁无污染、能量转换效率高、寿命长、无碳酸盐生成、生成的水洁净(可以直接饮用)、应用范围广、设计简单、制造方便、既可以采用纯氢作燃料也可以采用重整转化燃料;固态高分子聚合物电解质不存在电解质腐蚀与溢散问题;具备接近常温工作以及启动迅速的特点,非常适合用作运输动力、可携式电源以及家用型发电机

缺点:废热品位低、对CO敏感、采用重整转化燃料时需要将CO变换成CO2,电极触媒尚需较多的贵金属,质子交换膜的生产成本还比较高。

刚开始时PEMFC用氢作为燃料,电池反应实际上是H2和O2反应生成水。采用气体扩散电极,以提高电池的性能。电动势为1.229V,工作电压约为0.8V。

现用有机小分子(甲醇)作为PEMFC燃料,所制成的直接甲醇燃料电池(DMFC)被认为是电动汽车的最佳候选。

其优缺点有:

(1)甲醇在常温常压下是液体,携带和贮存很方便;

(2)甲醇氧化产生的最终产物是CO2和水,对环境污染极小;

(3)甲醇来源丰富,价格低廉;

(4)甲醇无C—C键束缚,电化学活性高;

(5)电池能量转化率低,性能衰减快。

思 考

燃料电池有哪几种?

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