燃料电池技术-碱性燃料电池课件.pptx

1、1第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术第四章碱性燃料电池24.1 引言引言第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术3第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术应应用用：20世世纪纪60年年代代初初期期，碱，碱性燃料性燃料 电电池用于池用于阿阿波罗波罗航航天飞机天飞机，这是这是碱碱性燃料性燃料 电电池首次池首次出出现在现在实实际应用际应用中中，它，它展展现出现出高高 比比功率、功率、高高能量能量转转化效率化效率和和运行运行高高度可靠度可靠 的特点。的特点。碱性燃料电碱性燃料电池池（Alkaline Fuel Cell）是是 最早研究最早研究成功并成功并得得以应用的燃以应用的燃

2、料料电池。电池。4第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术主要主要问题：问题：虽虽然然这这些些示示范性范性碱碱性性燃燃料料电电池池 系统系统大大多多性性能能卓卓越越，但但是是，诸诸如如成成本本、易操易操 作性作性、坚坚固固耐耐用用性性以以及及安安全全等等问问题题却却很很难解难解 决决。示范示范性的性的碱碱性性燃燃料料电电池池被被用于用于驱驱动动式农式农 用拖用拖拉拉机机（Ihrig，1960）、汽汽车车（Kordesh，1971）、起起重重机机等等方方面面，另另外外，它它还还能能够为够为 船只船只提提供供动动力力及及用用于于海海上上导导航航设设备备。5第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃

3、料电池技术碱性燃料电池以碱性燃料电池以强强碱（如碱（如KOH溶液溶液）为电解质。在为电解质。在 低温低温AFC（低于低于120）中中，使使用的用的KOH溶液溶液的的质质量量 百分比含量为百分比含量为30%-45%；高温高温AFC（约约260)中，中，KOH溶液的溶液的质质量量百百分比分比含含量量可可达达85%。它。它以以氢氢为为燃燃 料料，氧氧为为氧氧化化剂剂，能，能量量转转化化效效率率可可达达70%，工工作电作电压压 通常在通常在0.5-0.9V。与酸与酸性性电电解质解质相相比比，碱碱性性电电解解质质中中阴极阴极的的活活性过性过电电 位位较低较低，不仅不仅可可以使以使用用低载低载量量的贵金属

4、的贵金属催催化剂，还化剂，还可可 以以用用非非贵贵金属金属作作为电为电极极催化催化剂剂。除此之。除此之外外，碱性燃料，碱性燃料 电池成本低，使电池成本低，使用用的电极材料和电的电极材料和电解解质（如质（如KOH）比较便比较便宜宜，具有价格优，具有价格优势势。64.2 工作原理工作原理第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术E0=1.229V总反总反应应：H2+1/2O2H2O7通常通常AFC由由两两个多个多孔电极以孔电极以及及多孔电多孔电极极之间的碱性之间的碱性 电电解质组成解质组成，工作原理具体过程为，工作原理具体过程为：碱性燃碱性燃料电池是以料电池是以强碱为强碱为电电解质解质，氢为燃

5、，氢为燃料料，氧为氧化剂，氧为氧化剂的的燃料电池，燃料电池，在阳在阳极，氢气与碱中的极，氢气与碱中的OH在电催化剂作在电催化剂作用用下，发生氧化下，发生氧化反反应生成水和电应生成水和电 子子：H2+2OH-2H2O+2e-E0=0.828v氢电极反应生成的电子氢电极反应生成的电子通通过外电路到达阴极，过外电路到达阴极，在在阴阴极极电催化剂的作用下电催化剂的作用下，参与参与氧的还原反应：氧的还原反应：12O2+H2O+2e-2OH-E00.401v生成的生成的OH通过饱浸碱液通过饱浸碱液的的多孔石棉膜迁多孔石棉膜迁移移到氢电极到氢电极。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术8静态电解静态

6、电解液保持液保持体体：石棉膜：石棉膜第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术9 阳极阳极侧侧产生水产生水，而而阴阴极极侧侧氧氧气气还还原原消消耗耗水水，需需要要等等速地从速地从 阳极侧排出反应阳极侧排出反应生生成成的的水水，从从而而维维持持电电解解液液浓浓度度的的恒定恒定。除此之外，反应除此之外，反应生生成成的的热热量量也也要要及及时时排排出出以以维维持持电电池温池温度度 的恒定的恒定。KOH和和NaOH溶液以其成溶液以其成本本低低，易易溶溶解解，腐腐朽朽性性低低的的特点特点 而成为而成为AFC首选的电解质。首选的电解质。由由于碱于碱性性电电解解质质易易与与空空气气中的中的 CO2反应生

7、成碳反应生成碳酸酸盐，盐，且且KOH与与CO2反反应应生生成成的的K2CO3的的 溶解度比溶解度比Na2CO3的的溶溶解解度度要要高高，所所以以通通常常选选用用KOH溶液溶液 作为电解质作为电解质。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术104.3 电催化剂与电催化剂与电电极极第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术池燃料电池技术燃料电池技术第第4 4 章章 碱性燃料电11 作为作为AFC电催化剂需要满足以下几个条件电催化剂需要满足以下几个条件：对于阳极氢气电氧化反应，常以雷尼对于阳极氢气电氧化反应，常以雷尼Ni为基体材料用为基体材料用 作催化剂。对于阴作催化剂。对于阴极极氧气电还

8、原反应，氧气电还原反应，常常用用Ag做催做催化化 剂剂。（1）在在碱性条碱性条件下件下对对氢气氧化氢气氧化或或氧气氧气还还原原具有催化具有催化活活 性性；（2）在碱性条件下具有化学和电化学稳定性在碱性条件下具有化学和电化学稳定性；（3）具具有有良良好好的导的导电电性性或或能能担担载在载在具具有有良良好好导导电电性的性的载体上，如炭黑载体上，如炭黑。对于阳极氢气电氧对于阳极氢气电氧化化反应，常以雷尼反应，常以雷尼Ni为为基体材料用基体材料用 作催化剂。对作催化剂。对于于阴阴极极氧气电还原氧气电还原反反应，应，常常用用Ag做催做催化化剂剂。12第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术4.3.

9、1 电催化电催化剂剂 1.阳阳极催化极催化剂剂 由由于于Pt、Pd等贵金属等贵金属对对氢氢电电化化学氧学氧化具化具有较有较高高 的的催化活性催化活性，因，因此此，对氢在金，对氢在金属属Pt电极上的电电极上的电催催 化氧化氧化化过过程程的的研究研究最为最为详详尽尽。但但贵金贵金属属价价格格昂昂贵贵，为，为了了降降低低成成本，本，增大增大氢氢与与催催化化剂的剂的接接触触面面积积，通常通常把把Pt、Pd等贵金属分散到碳表等贵金属分散到碳表面面，这样不仅，这样不仅 可以可以使使其其活活性性表面表面积增积增大大，同同时时碳载碳载体体还还可可为反为反 应物应物提提供供物物质质传输传输通道通道，增增大大散散

10、热表热表面面积积，提提高高 贵贵金属金属的热稳定的热稳定性。性。13第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术 为了为了提提高催化剂高催化剂的的电催化活电催化活性性以及抗以及抗CO中毒中毒能能 力力，通，通常向常向Pt中中加入第二、加入第二、第第三组分金三组分金属属，如，如Pt-Ag、Pt-Rh等二等二元元及及Ir-Pt-Au、Pt-Pd-Ni等等三三元合元合 金金催化催化剂都表现剂都表现出出较好的氢电较好的氢电氧氧化催化活化催化活性性，并，并 且且降低降低了电极中了电极中Pt载载量。量。14 此外，此外，利用储氢合金在室温下能可逆吸放氢的性能利用储氢合金在室温下能可逆吸放氢的性能，对多种

11、储氢合金的氢电氧化催化活性的研究表，对多种储氢合金的氢电氧化催化活性的研究表明明，氢气可先吸附在储氢合金上，然后在储氢合金氢气可先吸附在储氢合金上，然后在储氢合金表表 面面分解成氢原子，发生电化学氧化反应分解成氢原子，发生电化学氧化反应，具体过程，具体过程 为为：H2+2M2M-H（4.4）M-H+OH-M+H2O+e-（4.5）第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术M和和M-H分别代表催化剂和催化剂上吸附氢的中分别代表催化剂和催化剂上吸附氢的中间相间相。15第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术16第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术2.阴极催化阴极催化剂剂由于由于

12、氧在氧在碱碱性性电电解解质质中中具具有有较较快快的的动力动力 学反学反应应速速度度，因因此此AFC阴极催阴极催化化剂剂可可以以使用使用 贵金贵金属属催催化化剂剂，也也可可以以使使用用多多种种非非贵贵金金属催属催 化剂化剂。17 氧气的电还原催化活性最高的材料氧气的电还原催化活性最高的材料：Pt、Pd等贵等贵 金属金属。贵金属催贵金属催化化活性活性高高、化学、化学稳稳定性定性好好，但但受到价受到价格格和和 资资源等因源等因素素的制的制约。约。其中其中Ag是是AFC中中研研究得最多的究得最多的 非非贵贵金金属催属催化化剂剂。其。其良好良好的的催化催化活活性性、稳、稳定性定性和和电电子子 导电导电性

13、性，可，可以以使使氧迅氧迅速分速分解解、还、还原原，因此因此，在，在碱碱性、性、低温条低温条件下可替代件下可替代Pt。Ag-O2的的相相互互作用较作用较弱弱，O-O键键断断裂裂比较比较困困难难，一般一般加入加入Co、Mg等金属等金属。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术18第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术 4.3.2 电极结构与制备电极结构与制备工艺工艺 电极电极是是电化电化学学反反应发应发生的生的场场所，所，为为了了确保确保电极电极具具有有高高 度稳度稳定定的气的气、液液、固、固三相三相反反应界应界面面，通常通常采用采用多多孔孔气气 体扩散电极体扩散电极。(a)多孔气

14、体扩散电极能够多孔气体扩散电极能够为为反应反应物物提供较大的提供较大的反反 应应面积，有利于物质传导面积，有利于物质传导。(b)多孔电多孔电极的极的比比表表面面积积要要比比其其几何几何面面积积大大几几个个数数 量量级级。为了为了增增加加电极电极的空的空隙隙度，度，有有时时在电在电极制极制备备过程过程 中还要加一些造孔剂中还要加一些造孔剂。19第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术（1）亲水亲水电电极是极是由由金金属属粉末粉末构构成成的的。这这种种电电极极的的 气体气体扩扩散散层层的孔的孔径比径比反应反应层层的的孔孔径大径大。毛毛细作细作用用保保证证 小孔小孔中中含含有有电解电解质质，多

15、孔多孔金金属属电电极比极比较重较重，但，但具具有较有较 高的高的电电导导率率，也，也可用可用在单在单极极板板电电池结池结构上构上。一。一般般亲亲水水 电极结构又分双孔电极结构和雷尼金属电极结构电极结构又分双孔电极结构和雷尼金属电极结构。根据根据电极电极表表面性面性质质的不同，的不同，将将其分其分为为亲亲水电极水电极和和 疏水电极疏水电极。20第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术21 双孔双孔电极结构，有两种电极结构，有两种孔孔结构：粗孔层结构：粗孔层和和 细孔细孔层层。其粗孔层孔径其粗孔层孔径30um，细孔层孔径细孔层孔径16um，电极电极厚厚 度约为度约为1.6mm。其中。其中细孔

16、层与液体电解质相接触，细孔层与液体电解质相接触，而而 粗孔层与气体相接触粗孔层与气体相接触。电池工作时，只要将反应气。电池工作时，只要将反应气与与 电解质控制在一定的压差内，便能够使反应在一个电解质控制在一定的压差内，便能够使反应在一个特特 定的界面上进行。定的界面上进行。必须仔细控制气体和电解质之间的压差，确保气液界必须仔细控制气体和电解质之间的压差，确保气液界面面在一个合适的位置在一个合适的位置。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术22第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术雷尼金属电极是另一种多孔结构电极。这种电雷尼金属电极是另一种多孔结构电极。这种电极极 是将是将活性金

17、属（如活性金属（如Ni）和和一种非活性金属（如一种非活性金属（如Al）进进 行混合，形成以活性组分为骨架的明显的分区结构行混合，形成以活性组分为骨架的明显的分区结构，然后经过处理，除掉非活性组分，留下然后经过处理，除掉非活性组分，留下空孔区域空孔区域。常用的常用的雷雷尼镍尼镍就就是将重量比是将重量比1:1的镍的镍粉粉和铝粉制和铝粉制成成 合金，然后合金，然后用用饱和饱和KOH溶溶液将大液将大部部分分铝铝溶解，从而溶解，从而 得到镍的多孔结构，反应式为得到镍的多孔结构，反应式为:2Ni-Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2+2Ni（4.8）23第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电

18、池技术（2）疏疏水水电极电极是是掺掺有聚四有聚四氟氟乙烯等乙烯等疏疏水剂水剂的的黏黏合型合型电极电极。现现代电极代电极趋趋向于使向于使用用碳载催碳载催化化剂，将其剂，将其与与聚四聚四氟乙氟乙 烯混合，然后压在镍网上烯混合，然后压在镍网上面面，制，制备备成疏成疏水水电极电极。为为了提高了提高三三相反应相反应界界面，一面，一个个好的电极好的电极需需要提要提供供电电 子、液体和气体子、液体和气体通通道道。为了防止电解质。为了防止电解质通通过电极，可以过电极，可以 在电极表面涂抹薄在电极表面涂抹薄薄薄的一层聚四氟乙烯的一层聚四氟乙烯，而不用对反而不用对反应应 气体加压。有时也气体加压。有时也可可向疏水

19、电极中加入向疏水电极中加入碳碳纤维，以增加纤维，以增加 其强度、传导性和粗糙度。其强度、传导性和粗糙度。燃料电料电池池技术第第4 4 章章 碱性燃24254.3.3 石棉膜石棉膜AFC的隔膜材料是的隔膜材料是石石棉膜棉膜。在石棉膜型在石棉膜型碱性碱性燃料电池中，燃料电池中，饱饱浸浸碱碱 液的液的石石棉膜棉膜的的作作用用有有二二，一，一是是利用利用其其阻阻气气功功能能，分，分隔隔氧化氧化剂剂和和还原还原 剂；二是剂；二是为为OH-的传的传递递提供通道提供通道。石石 棉棉 的的 主主 要要 成成 分分 为为 氧氧 化化 镁镁 和和 氧氧 化化 硅硅（分分 子子 式式 为为 3MgO.2SiO2.2

20、H2O），具有均匀的孔具有均匀的孔结结构，为电子绝缘体。构，为电子绝缘体。长长期在期在 浓碱的水浓碱的水溶液中溶液中浸浸泡，其酸性泡，其酸性组组分与碱反分与碱反应应生成微溶生成微溶性性的硅酸钾。的硅酸钾。为减少石棉为减少石棉膜膜在浓在浓碱碱中的腐中的腐蚀蚀，可在，可在石石棉棉纤纤维制膜维制膜前前用浓碱用浓碱处处 理，理，也也可以可以在在涂涂入入石石棉棉膜的膜的浓浓碱中碱中加加入入百百分分之之几的几的硅硅酸钾酸钾，抑抑制制石石 棉膜的腐棉膜的腐蚀，减蚀，减小小膜在电池中膜在电池中因因腐蚀而导腐蚀而导致致的结构变的结构变化。化。因为石棉对人体有害，而且在浓碱中缓慢腐蚀，为改进碱性燃料因为石棉对人体

21、有害，而且在浓碱中缓慢腐蚀，为改进碱性燃料 电池电池的的寿命寿命与与性性能能，已已成功成功开开发钛发钛酸酸钾钾微微孔孔隔隔膜膜，并并已成已成功功地地用于用于 美国航天美国航天飞机用飞机用碱碱性燃料电池性燃料电池中。中。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术264.3.4 双极双极板板在碱性燃料电池工作在碱性燃料电池工作条条件件下下，性性能能稳稳定定、比比较较廉廉价价的双的双极极板材料是板材料是镍和无镍和无孔孔石石墨墨板板。作为航天电源，要求作为航天电源，要求具具有有高高的的质质量量比比功功率率和和体体积积比比功率，功率，因此多采用厚度因此多采用厚度为为毫毫米米级级的的镁镁、铝铝等等轻轻

22、金金属属制制备备双双极板极板。如。如 美国用于航天飞美国用于航天飞机机的的动动态态排排水水石石棉棉膜膜型型碱碱性性燃燃料料电电池既池既采用采用 镁板镀银或镀金镁板镀银或镀金作作双双极极板板。对地面和水下应用，对地面和水下应用，可可采采用用无无孔孔石石墨墨板板或或铁铁板板镀镀镍镍作双作双极极 板，用腐蚀加工板，用腐蚀加工工工艺艺制制备备点点状状或或平平行行沟沟槽槽流流畅畅，再再镀镍镀镍作为作为 碱性燃料电池双碱性燃料电池双极极板板。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术起支撑、集流、分割起支撑、集流、分割氧氧化化剂剂与与还还原原剂剂作作用用并并引引导导氧氧化剂化剂和和 还原剂在电池内还原

23、剂在电池内电电极极表表面面流流动动的的导导电电隔隔板板通通称称为为双双极板极板。274.4 电解质电解质第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术28第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术 通常通常AFC使使用用的的电电解解质是质是KOH水水溶溶液液，浓度浓度一一般般为为 30%-45%。按照。按照其其流动方式可分为流动方式可分为循循环和静态环和静态两两种种 类型类型。由于由于空空气气中中所所含含的的CO2会与会与KOH发发生反生反应应生生成成K2CO3，如式，如式（4.9）所所示示，而使电解而使电解液液中中OH-的浓度减少的浓度减少，电导率降低，导致燃料电池效率降低电导率降低，导

24、致燃料电池效率降低。2KOH+CO2K2CO3+H2O（4.9）29第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术动态电解质的主动态电解质的主要要优势在于电解质能优势在于电解质能够够随时被随时被去去除除 和更换和更换。循环电解。循环电解质质通过更新电解液，通过更新电解液，使使KOH水溶液水溶液 在电池在电池内内进进行行循环循环流流动，有动，有利利于于去去除电除电解解液中液中生生成的成的 碳酸盐，并不断补充碳酸盐，并不断补充OH-。循环电解质循环电解质的的缺缺陷陷是是增加了增加了AFC的的复复杂杂性性，因为，因为电电解质循环系统需要一些附加系统，如泵和管路等解质循环系统需要一些附加系统，如泵和管

25、路等。KOH具具有有一定的一定的腐腐朽性，而且朽性，而且KOH溶溶液的表面张液的表面张力力 也使其也使其容容易易渗渗入到入到管管路的缝路的缝隙隙中中，这就这就增增加了加了管管路路泄泄 露的可能性。露的可能性。30第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术31 静静态电解态电解质质的管的管理理方方式式是是将将KOH溶液溶液固固定定在在两个电两个电极之极之 间的隔间的隔膜膜材料里，如石棉隔膜材料里，如石棉隔膜。隔膜材料需要有很好隔膜材料需要有很好的的孔孔 隙隙率、强度和抗率、强度和抗腐腐朽朽性性能。能。饱饱浸浸碱液石棉隔膜碱液石棉隔膜可可以起到以起到分分隔氧化剂和燃料，提隔氧化剂和燃料，提供供

26、OH-传递通道传递通道的作用。的作用。由于静由于静态态电解质无法像循环电电解质无法像循环电解解质系统一样，可以随质系统一样，可以随时时更更 换换电解质，所以，为电解质，所以，为了了避免电解质受到避免电解质受到CO2的的毒化作用，毒化作用，采采用静态电解质系统的用静态电解质系统的AFC必须使用必须使用纯氧为氧化剂纯氧为氧化剂。采。采 用用静静态态电电解解质系质系统的统的AFC基本结基本结构构如图如图4.7所所示示。与与循环循环 电解电解质系统相比质系统相比，无无其其他他附附属属装装置置。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术燃料电池技术燃料电池技术第第4章 碱性燃料电池32如图如图4.7

27、33第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术使用静使用静态态电电解质解质管理管理系系统的统的AFC的问的问题在题在于于水、水、热热 管管理理。由由于电于电解解质是质是静静态的态的，而电而电池池工作工作时时，阳，阳极极产生产生 水水，阴，阴极极消耗消耗水水，因，因此此，水，水管管理的理的关关键就键就在在于如于如何何使阳使阳 极极产生产生的的水及水及时时排出排出，避免避免过过量的量的水水进入进入气气体通体通道道，导导 致致电极电极被被淹淹；另另一方一方面面还要还要确确保保阴阴极极有足有足够够的水的水进进行行补补 充。充。除此之外，还需要冷除此之外，还需要冷却却系统系统对对AFC进进行行冷却冷

28、却。由于静态由于静态电电解解质质系统较系统较为为简单简单，所所以以，使用，使用这这种种系系 统的统的AFC常被应用常被应用在在航天领域，而且，航天领域，而且，阳阳极生成的水极生成的水还还 可可以用以用于于饮用饮用并并充当充当冷冷却系却系统统的冷的冷却却剂。剂。地地面上面上的的应用应用 则往往受到空气中则往往受到空气中CO2毒化的影响，造成毒化的影响，造成AFC的失效。的失效。另外另外，AFC使用的使用的石石棉隔膜材料对人体棉隔膜材料对人体有有致癌作用，在致癌作用，在 很多国家已禁止使用。很多国家已禁止使用。34近年来，有近年来，有人尝人尝试将试将阴阴离离子固子固体体聚聚合合物电解质物电解质应应

29、 用用在在碱碱性性燃燃料料电电池池中中。法。法国国工工业电业电化化学实学实验验室室科研科研人人 员制员制备了备了一一种含种含有嵌有嵌段共聚物段共聚物聚聚环氧乙环氧乙烯烯（PEO）的的 固体聚固体聚合合物电物电解质解质，其离，其离子子电导电导率率为为10-3S.cm-1。如。如 果果这这种种固固体体聚聚合合物电物电解解质质能能够够在在碱碱性性燃料燃料电电池池中中使使用，用，不仅不仅可可以以避避免免目目前前碱碱性燃性燃料料电电池存池存在在的电的电解解质质泄露泄露等等 问题，还可问题，还可以以提高碱性燃料电池的体积能量密度提高碱性燃料电池的体积能量密度。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术

30、354.5 AFC性能的影响因性能的影响因素素第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术和存在的和存在的问题问题36 4.5.1 操作压力操作压力 从热从热力学力学角度角度,提提高系高系统统工作工作压压力力有有利于提利于提高高 AFC的性能，这的性能，这一一点可点可以以从从AFC总反应的总反应的Nernst 方方程式程式看出看出:(4.10)随随着氧气和氢着氧气和氢气气压力的增加压力的增加；电电池池电动势也随电动势也随之之增增加，加，而且其增而且其增加加值与反应气值与反应气压压力对数成力对数成正正比。比。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术37第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃

31、料电池技术从从动力动力学角学角度度，压力的压力的增增加会导致加会导致交交换电换电 流流密度密度的增大，的增大，从从而降低电池而降低电池阴阴极上的活极上的活化化过电过电 位位。在。在恒温与恒恒温与恒电电流密度时，流密度时，电电极的化学极的化学极极化与化与 反反应气应气工作压力工作压力也也成对数关系成对数关系。大多数碱大多数碱性性电解电解 质质燃料燃料电池在工电池在工作作时使用的是时使用的是高高压瓶或低压瓶或低温温系统系统 中中储备储备的反应气的反应气体体。38 高压系统的泄露高压系统的泄露问题问题 解解决的决的方法之一方法之一：在燃料电池在燃料电池堆堆的外部安的外部安装装一个一个 充充满氮满氮气

32、的封袋气的封袋，并且使氮气并且使氮气的的压力高于压力高于氢氢氧两氧两 种种反应反应气体。气体。在在Strasser（1990）描描述述的的西西门门子子系系统统中中，氢氢气气的的供供给给压压力力为为2.3kPa，氧氧气气的供的供给给压压力力为为2.1kPa，环绕环绕在在电堆电堆周周围围的的氮氮气气压压力力为为2.7kPa。一。一旦旦发发生生泄泄漏，漏，氮气氮气就就会会进进入入电电池池，这这虽虽然然会会降降低低电电池池的的性性能能，但但却能却能有有效效阻阻止止反反应应气气体体的的 外泄外泄。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术39第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术 4.5.2

33、 操作温操作温度度 从热力学角度考虑从热力学角度考虑，随着温度的升高，电池电动势，随着温度的升高，电池电动势降降低低。从动力学角度从动力学角度，温度升高不仅有利于增加阳极和阴极，温度升高不仅有利于增加阳极和阴极 的电化学反应速度，降低活性过电位损失，还可以的电化学反应速度，降低活性过电位损失，还可以提提 高传质速率和高传质速率和OH-的迁移速率。同时温度升高，电的迁移速率。同时温度升高，电解解 质的电导率也会增大，从而降低欧姆极化。质的电导率也会增大，从而降低欧姆极化。40 在实践中，温度的升高会使燃料电池的开路电压降在实践中，温度的升高会使燃料电池的开路电压降低低，但这种变化与活性过电压的下

34、降相比就显得微不，但这种变化与活性过电压的下降相比就显得微不足足 道道了，尤其在阴极更是如此。显然，了，尤其在阴极更是如此。显然，升高温度必然升高温度必然会会 导致导致碱性燃料电池的工作电压升高碱性燃料电池的工作电压升高。最低最低工作温工作温度度大量大量实验的结果表明，实验的结果表明，当当温度低于温度低于60，升温升温将将大有益处，因大有益处，因为为温度温度每每 升升高高1，每节电池每节电池的的电压就会增电压就会增加加4mV。按。按照这个速度，当照这个速度，当温温度从度从30升至升至60时时，电压会增加大电压会增加大约约0.12V，这对于工作电压这对于工作电压只只有有0.6V的的单单电池电池来

35、说，增幅是非常来说，增幅是非常大大的。的。在更在更高的温度下，这种高的温度下，这种效效果仍然较为明果仍然较为明显显，大约为，大约为0.5 mV-1左右左右。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术41第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术 4.5.3 电解质浓电解质浓度度对对于于KOH溶溶液液，其其电电导导率率随随着着KOH浓度的浓度的增加增加而而增增加加；当当KOH浓度超浓度超过过8 mol/L时时，由，由于于K+的的溶溶剂剂化化效效应应，电导电导率随率随KOH浓浓度的度的增增加加开开始呈始呈下降下降趋趋势。势。42KOH浓度超过浓度超过8 mol/L时时，电解质的黏度和，电解

36、质的黏度和阻阻力力增增加加，因因此，此，在碱性燃料电池在碱性燃料电池中中，KOH的的浓浓度度一一般般不不超超过过8mol/L。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术43 4.5.4 CO2的毒化问题的毒化问题空气中空气中所所含含的的（300-350）ppm的的CO2会导致会导致AFC性能性能严重严重降降低低，这这是是由由于空于空气中的气中的CO2与与KOH水溶水溶液反液反应应生生成成K2CO3，其其溶溶解解度度较较低低，会，会沉沉积积出来出来，堵堵塞塞电电极极的的微微孔孔，造成催化剂中毒造成催化剂中毒。电电解解质中质中OH-的的浓度浓度因因CO2会降低，会降低，而而且生且生成的成的K2

37、CO3 水水溶溶液电液电导导率也率也低于低于KOH，这将增这将增加加电池欧电池欧姆姆极化极化，导导 致电池致电池性能下降性能下降。CO2毒化毒化问题问题是是AFC面面临临的的主主要要技技术术问问题题之之一，一，也也是是制制约约AFC在地在地面面应应用用的的关键关键问题。问题。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术44第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术CO2的毒化问题的解决的毒化问题的解决方方案案：（1）化化学学吸吸收法收法。通常通常装装有有吸吸附剂附剂的柱的柱子对子对空空气气中中含含量量为为0.03%的的CO2进进行行化化学学吸附吸附消消除除。（2）分分子子筛筛选法选法。分

38、子分子筛筛可可重重复使复使用，用，也可也可有有效效降降低低空空 气中气中CO2的含量的含量，使其使其达达到到使使用用标标准准。（3）电电化化学学法。法。这这种方种方法法是是通通过电过电化学化学方法方法除除掉掉电电解质解质 中的中的碳碳酸盐酸盐，其其原理原理是将是将AFC在短时间在短时间内内大电大电流流放电放电，阳阳 极极附附近近的的OH-浓度浓度降降低低，同同时时，碳碳酸盐酸盐从从阴极阴极向向阳阳极极迁迁移移，随着电随着电流流的的继继续增续增加加，阳极阳极碳碳酸酸盐盐发生发生分分解解，从从溶液溶液中中除除 去去。45第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术（4）液液态氢协同态氢协同法法。

39、利利用用液态氢吸液态氢吸热热气化，气化，使使其通其通过过换换热器将热器将CO2从空从空气气中冷中冷凝凝出出来。来。（5）电解液循环法。电解液循环法。电解液循环可改电解液循环可改善善AFC对对CO2的的承承 受能力受能力，或者可使用流动碱性或者可使用流动碱性电电解质来及时清除形成解质来及时清除形成的的碳碳 酸盐。此时的缺酸盐。此时的缺点点是是使使AFC系统复杂化。系统复杂化。（6）提高工作提高工作温温度。度。当当AFC的的工作温度较高时工作温度较高时，会增加会增加 碳酸钾碳酸钾的的溶解度，阻止碳酸钾溶解度，阻止碳酸钾从从溶液中沉淀出来，进溶液中沉淀出来，进而而可可 减轻减轻CO2的毒化的毒化影影

40、响响。46第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术4.5.5 氧氧化剂化剂对对AFC运行运行特性的影响特性的影响碱碱性燃性燃料料电池电池可可采用采用O2或或空空气气作作氧氧化剂。化剂。美美国国国国际际燃料燃料 电电池池公司公司(IFC)与德与德国国Siemens贴主要贴主要研研究究碱碱性性H2-O2燃料燃料 电电池。池。而而Elenco研究的研究的AFC系统则系统则多采用空多采用空气气作氧化作氧化剂剂。后者研制的后者研制的碱碱性性H2-空气燃料电池空气燃料电池同同时可时可用用O2作氧化作氧化剂剂。据报道据报道，E1enco公公司司的碱的碱性性H2-空空气气燃燃料电料电池若改池若改用用O2

41、作作 氧化氧化剂剂，在在相相同同操操作作条件条件下下，电电池池堆堆电电流流密度密度(输输出出电电压压 不变不变)可可增加增加约约50。相相反，反，若若将空将空气气直接用直接用于于碱碱性性H2-O2 燃料电池系统则会燃料电池系统则会遇遇到很多麻烦。究其到很多麻烦。究其原原因是因是H2-O2燃料燃料 电电池池中中的的电电极极无无法法适适应应空空气气中中存存在的在的N2，且对且对于于空空气气中中杂杂 质，特别是质，特别是CO2更更加敏加敏感感。474.6 排水方法和排水方法和排热排热第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术48第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术 碱性碱性燃料电池的排

42、水方燃料电池的排水方法法类型类型：（1）动动态排水法态排水法：又称又称反反应气体循应气体循环环法。其法。其原原理是理是用用泵泵 循环氢循环氢气气，将水蒸气带出电池，将水蒸气带出电池，然后在电池外部冷凝然后在电池外部冷凝器器中中 将水蒸将水蒸气气冷凝。排水速度由氢冷凝。排水速度由氢循循环量、电池组的工作环量、电池组的工作温温度度 和冷凝和冷凝器器的工作温度决定。这的工作温度决定。这种种排水方法还能起到部排水方法还能起到部分分散散 热的作用。热的作用。（2）静静态排水法态排水法：静态静态排排水的原理水的原理是是在氢气在氢气腔腔一侧一侧装装置置 多孔排多孔排水水膜，将电池的氢腔与膜，将电池的氢腔与水

43、水蒸气腔分开，且使水蒸气腔分开，且使水蒸蒸气气 腔维持负压腔维持负压。（3）冷冷凝排水法凝排水法，通过通过水水汽冷凝板汽冷凝板（非多孔非多孔结结构构），），用用泵在冷凝板循环泵在冷凝板循环冷冷却却剂剂（如如水水，电电解解质质或或制制冷冷剂剂）。）。（4）电电解质排水解质排水法法。通通过过循环电解循环电解质质电池外电池外部部的除的除水水单单元进行除水。气元进行除水。气化化热热是是由由电电堆堆产产生生的的废废热热提提供供的。的。49 动态排水法的优动态排水法的优点点是是：电电堆堆设设计计简简单单；对对电电堆堆尺尺寸寸大小大小无无 限限制；与反应气制；与反应气体体一一同同进进入入电电堆堆的的惰惰性性

44、气气体体或或杂杂质质不会不会在在 电池电池内部聚集；内部聚集；反反应应气气体体浓浓度度均均匀匀；可可以以在在大大电电流流下运行下运行，电流越大，通，电流越大，通入入的的气气体体量量越越多多，从从而而过过量量的的水水可可被过被过量量 的的气体带出电堆气体带出电堆。动动态态排排水水法法适适用用于于静静态态或或液液体体电电解质解质系系 统。统。另外，动态另外，动态排排水水系系统统也也适适用用于于疏疏水水电电极极。与与电电解质解质排排 水法混水法混合使用，合使用，在在一一定定条条件件下下能能够够实实现现自自我我调调节节。（阿波（阿波 罗号航天罗号航天飞机）飞机）静态排水系统：静态排水系统：与与动动态态

45、排排水水系系统统相相比比，容容易易控控制制，只需只需控控 制制水腔的真空度水腔的真空度，易易于于实实施施。但但电电池池内内部部需需要要增增加加排水排水腔腔，电池结构较复，电池结构较复杂。杂。第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术50第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术排热排热排热过程通排热过程通常常与与排排水过程相结水过程相结合合，特特别是在别是在动动 态态排水时排水时，可借助可借助气气体或电体或电解解质循环质循环而而将电池将电池余余 热热带出带出电池堆。电池堆。电解质溶液电解质溶液循循环环排排热是利用泵热是利用泵将将电电解解液泵出电液泵出电 池池堆，使堆，使电电解液通解液通

46、过过热交换热交换器器，电解，电解液液与冷却剂与冷却剂 进进行热交行热交换换后再与后再与新新鲜电解鲜电解液液混合后混合后进进入电池入电池堆堆 循循环环使用。使用。在在AFC电电池池堆中，每堆中，每隔隔几个几个单单电池电池就就 要要设设置一冷置一冷却却循环构循环构成成排热系排热系统统。一般。一般的氢的氢-氧氧燃燃 料料电电池均采池均采用用此排热此排热方方式。然式。然而而，对于，对于氢氢-空气空气燃燃 料料电电池池，E1eno采采用用空空气气循循环环与与电电解解质质循循环环两两种排种排 热热方式方式。514.6.AFC技术发技术发展展第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术52第第4章 碱性燃

47、料电池燃料电池技术燃料电池技术有关有关AFC技术技术开开发课题是根据其不发课题是根据其不同同应用背景进行应用背景进行的。的。AFC系系统统的主要的主要应用应用领域有领域有：(1)航天航天飞行飞行器用动力器用动力电电源源；(2)军事装备电源军事装备电源；(3)电动汽车用的动力电源电动汽车用的动力电源；(4)民用发民用发电电装置装置。AFC系统的应系统的应用用受到受到经济可行性经济可行性与与电电池性能池性能两方面因两方面因家家 的制约。电池技术的制约。电池技术开开发重点是发重点是提高电池提高电池系系统性能、降低统性能、降低电电 池造价与操作费用、增强与其他燃料电他的竞争能力池造价与操作费用、增强与

48、其他燃料电他的竞争能力。53第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术1）提高电池性能提高电池性能在在AFC技术开技术开发过发过程中，程中，提提高高电电池系池系统统性能性能主主要从要从以以下几个方面入手下几个方面入手。(1)改进改进AFC电电极结沟与极结沟与电电催化剂催化剂，提高电极比催提高电极比催化化活性，有效提高电池堆比能量。活性，有效提高电池堆比能量。(2)开发性能稳定的电催化剂，提高开发性能稳定的电催化剂，提高电电池性能的稳定性，池性能的稳定性，降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命。(3)简化简化AFC系统中的辅助设备，提系统中的辅助设备，提

49、高高电池系统比能电池系统比能量。量。(4)采用先进的仪器设备对所有电池采用先进的仪器设备对所有电池的的组成构件进行组成构件进行有有效的质量控制，使整个效的质量控制，使整个AFC系统可靠性达到最优化。系统可靠性达到最优化。54第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术2）改善电池系统经济改善电池系统经济性性作为作为一一般般用用途途的燃的燃料电料电池，池，必必须须考考虑其虑其经经济济性性。对对 于电于电动动汽汽车车、民民用用发发电装电装置置用的用的AFC系系统统，在，在提提高电高电 池性能池性能基基础础上上，应，应合合理设计理设计电电池池系系统中统中各各个构个构件件及及其其 制造方制造方法法，

50、并并能形能形成成生产过生产过程程自自动动化、化、系系列化列化。这这不不 仅能提仅能提高高生生产产能力能力，也是降也是降低低电电池池生产生产成成本的本的有有效效途途 径径。55第第4章 碱性燃料电池燃料电池技术燃料电池技术(1)降降低电极低电极中中贵金贵金属属催化剂催化剂负负载量，载量，开开发非贵发非贵 金金属电属电极催化剂极催化剂，减少电极材减少电极材料料费。费。(2)APC需要用需要用纯纯氢作燃氢作燃料料，为为扩扩大大其应用其应用范围范围，必必须须改改进氢进氢气气储存储存方方式式。目前目前，贮氢贮氢合合金材金材料的料的 研究取得可喜成研究取得可喜成果果，这，这为为AFC的贮的贮氢氢问题提供问