燃料电池技术基础总结.docx

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1、精品名师归纳总结燃料电池技术基础总结Ch11. 燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装置,是可以利用氢这种新型能源作燃料的一种清洁发电装置,已成为继水力发电、火力发电和核能发电之后的第四代主要发电技术。2. 产业化过程将会经受三个阶段,即注意技术水平的成果阶段、注意有用化的产品阶段和注意销售价格 , 生产成本的商品化阶段。3 燃料电池 Fuel Cell的定义: 是一种以氢为主要燃料,把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。燃料电池与一般传统电池 battery的相同点 : 都是将活性物质的化学能转化为电能的装置, 都属于电化学动力源 elec

2、trochemical power source,electrochemical cell不同点: 燃料电池是能量转换器,非能量储存器 ; 一般电池是能量储存器4. 1838 年 C.FSchonbein发觉燃料电池原理5. 1993 年重要里程碑 : 加拿大巴拉德动力系统 Ballard power system公司推出全世界第一辆以质子交换膜燃料电池proton exchange membrane fuel cell,PEMFC为 动力的电动汽车。6. 燃料电池发电是直接通过电化学反应将燃料的化学能转变成电能,不受卡诺循环的限制,转化过程的步骤少、效率高,发电过程中没有燃烧、不冒烟,不会产

3、生污染没有高速转动部件,不会产生噪声。7. 依据燃料的来源,燃料电池可以分成类: 一类是直接式燃料电池,即燃料用氢气; 另一类是间接式燃料电池。 8.由于大部分的燃料为有机化合物且为气体, 这就要求电极具有催化剂的特性 也就是“电催化”作用 ,并且为多孔质材料,以可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面,促进电子授受反应的进行。发生电子授受反应的气、液、固三相接触界面称为三相区Three Phase Zone。9.气体扩散电极的争论直接关系到整个燃料电池的进展,是燃料电池争论的重要课题之一。 10.燃料电池的特点 燃料电池的特点 1 效率高,

4、2 噪声低,3 占的面积小、建造时间短, 4 污染小, 5 所用燃料广泛, 6 用途广11. 燃料电池的种类 燃料电池的种类 :1 低温. 碱性燃料电池 Alkaline fuel cell ,AFC . 质子交换膜燃料电池 Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC 2中温. 磷酸燃料电池 Phosphoric acid fuel cell,PAFC 3 高温. 熔融碳酸燃料电池 molten carbonate fuel cell,MCFC . 固态氧化物燃料电池Solid oxide fuel cell,SOFC 12.对于商业化的燃料电池,依据开

5、发时间的次序一般将 PAFC称为第一代燃料电池, MCFC称为其次代燃料电池,而将 SOFC称为第三代燃料电池。 AFC主要用于太空飞行, PEMFC主要用于电动车 如电动汽车和电动摩托车 , PAFC、MCFC和 SOFC就主要用于静置式发电站。13. 碱性燃料电池 AFC:以石棉网作为电解质的载体,氢氧化钾 KOH溶液为电解质,工作温度在 70200.C之间。. 高温 约 200.C时采纳高浓度的氢化钾85,电解质,在较低温度 120.C时就使用低浓度的氢化钾 35,50,电解质。 . 与其他燃料电池相比, AFC功率密度较高,性能较为牢靠。. 所使用燃料的限制特别严格,必需以纯氢作为阳极

6、燃料气体,以纯氧作为阴极氧化剂。 . 催化剂使用铂、金、银等珍贵金属,或者镍、钴、锰等过渡金属。. 电解质的腐蚀性强,因此电池寿命短,但启动快 . 仅胜利的应用于航天或军事应用,不适合于的面商业民用。 14. PEMFC PEMFC.以质导度佳的固态高分子膜为电解质。 . PEMFC内惟一的液体为水,因此腐蚀程度较低,但水管理就是影响燃料电池发电效率的重要因素 之一。必需保持膜内含水充分。. 由于水平稳的因素,燃料电池的工作温度必需限制在 100.C以下。. 以富氢气体为燃料时,不能含有过量的CO容忍度 100MW。18. 构成燃料可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结电池的基本元件

7、必需包括以下三种 : 电极electrode、电解质隔膜 electrolyte membrane和集电器 current collector .电极是燃料氧化和氧化剂仍原的电化 学反应发生的场所,电极可以分成阴极cathode 与阳极anode.一般为多孔结 构,厚度约在 200500m之间. 高温燃料电池的电极可以由触媒材料制作而成, 例如 SOFC的 YSZ掺入三氧化二钇的氧化铬以及 MCFC的氧化镍电极 ; 低温燃料电池基本上是由气体扩散层支撑一层薄薄的触媒材料构成,例如PAFC与 PEMFC的铂电极。. 电极性能好坏的关键是触媒的性能、电极的材料与电极的制作工艺等。19.电解质隔膜的

8、功能是分隔氧化剂与仍原剂并同时传导离子。燃料电池所采纳的电解 质隔膜可以分为两类,一类是先用绝缘材料制成多孔隔膜,例如石棉asbestos 膜、碳化硅 SiC 膜和铝酸锂 LiAlO3 膜等,再将电解液如氢氧化钾、磷酸和熔融的锂钾碳酸盐等,浸入多孔隔膜,借用毛细管力附着在隔膜孔内,其导电离子为氢 氧根离子、氢离子或碳酸根离子 ;可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结氟磺酸树脂膜以及在 固态氧化物燃料电池中应用的掺入氧化钇的氧化锆膜。20.集电器也称作双极板 bipolar plate,它具有收集电流、疏导反应气体以及分隔氧化剂与仍原剂的作用 ; 21.电催化是加速电化学反应中电荷转移

9、的一种催化作用,一般发生在电极与电解质界面上。. 电催化的反应速度与触媒的活性、电荷双层 charge double layer内电场、电解质溶液的本性有关。. 电双层内的高电场强度使反应所需的活化能activation energy大幅度下降,电催化反应可在远比非电催化反应低得多的温度 如室温 下进行. 对触媒的要求: 要对特定的电化学反应有良好的催化活性、高挑选性; 能够在肯定的电位范畴内耐电解质的腐蚀 ; 必需具有良好的电子导电性。22. 燃料电池的实际工作电流密度与削减极化,必需增加参加反应电极的表面积 高出 35 个数量级 . 多孔气体扩散电极的液相质传边界层的厚度从平板电极的100

10、m压缩到 1,10 m。23. 气体扩散电极的两类结构 : 多层结构的粘结型电极 bind electrode、单层烧结型电极 sintered electrode .单层烧结型气体扩散电极 : 直接将金属触媒与电解质的混合粉末以烧结方式制作成多孔结构的气体扩散电极,例如MCFC与 SOFC.多层粘结型气体扩散电极 : 在高分散型触媒内添加粘结剂 如聚四氟乙烯 后粘贴到气 体扩散层或者质子交换膜上而形成多层结构电极,如PEMF、C PAFC、 AFC 。24. 电极反应要能够连续而稳固的进行,电极必需同时能够将上述反应中同时 有的氧气、水、电子以及质子等四种不同外形与物性的反应物或产生物物质输

11、送到 或离开反应点电极触媒层必需同时具备四种通道: 电子传递通道、气体扩散通道、质子传递通道、水传递通道可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的配比,电极的孔分布与孔隙率 porosity以及电极的导电特性等。简而言之,电 极的性能与触媒的电催化活性、电极的制作技术亲密相关。26.电解质的功能 : 传导离子与分隔燃料气体与氧化剂。 . 从外形来看,燃料电池的电解质可以分成液态电 解质AFC、PAFC、MCFC与固态电解质 PEMFC、SOFC.固态电解质属于无孔隔膜结构,可以直接制作成薄膜来阻隔气体与传导离子 ;.液态电解质必需借于毛细管力吸附在电解质载体的多孔隔膜内来进行工作. 电

12、解质载体就必需能承担在电池工作条件下的电解质腐蚀 以保持其结构的稳固,确保电池长期稳固的工作 ,是电子绝缘材料 防止电池内漏电而降低电池的效率 。27.电解质载体所制作的多孔隔膜的孔径必需小于多孔电极的孔径. 缘由: 要确保在电池工作时隔膜孔内始终饱浸电解质,这样,当工作条件转变所引起电解液 体积变化,或者电池运行中电解液流失导致电解液体积削减时,隔膜中不会显现无电解质的空孔。一旦隔膜孔内显现未被电解液填满的空孔,将导致氧化剂与仍原 剂气体窜透 cross-over隔膜而相互混合,进而降低电池的电流效率。28 隔膜的微孔内所饱浸的电解液必需能够承担肯定的压力差. 缘由: 燃料电池在运行时,由于

13、负载变化,隔膜两侧气体压力常常会显现不匀称的现象而造成一 定的电压差。29. 期望隔膜比较薄 : 隔膜越薄就欧姆电阻越小,然而由于微孔隔膜需借助浸入的电解液导电,因此也不宜太薄,通常为 200500m30 固态电解质无需电解质载体,直接将具有离子导电才能的电解质材料制作成无孔薄膜即可。 . 例如,质子交换隔膜燃料电池所采纳的全氟磺酸型树脂以及固态氧化物燃料电池所采纳的掺入三氧化二钇的氧化锆YSZ 等。 31.对燃料电池双极板材料的要求 . 双极板有分隔氧化剂与仍原剂的作用,要求具有阻隔气体的功可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结率密度. 双极板强度必需满意要求 . 双极板具有收集电

14、流的功能,必需是电的良导体。. 双极板必需在燃料电池工作环境下,具有抗腐蚀才能。. 双极板具有输送反应气体的功用,两侧加工或置有使反应气体匀称分布的流淌场通道 流场 ,以确保 反应气体匀称分布在整个电极。好加工 . 双极板必需是热的良导体,以利于反应热的排散并确保电池组的温度匀称。 32.目前双极板材料主要是无孔石墨板、复合碳板以及表面改性的金属板等。 1无孔石墨材料的优点 : 导电性及耐腐蚀性好; 缺点: 无孔石墨的制造过程复杂耗工费时,而且无孔石墨板质的硬脆不易加工, 流场制作成本昂扬 ; 厚度有其限制,一般为3mm左右,难以进一步降低,导致燃料电池的体积功率密度无法提高。 2金属双极板的

15、优点 : 厚度较薄 0.10.5mm ,可以采纳冲压成型等机械化生产方法加工孔道与流场,有助于降低成本与提高体积功率。难点 : 必需解决腐蚀问题。 3 复合碳板是将高分子树脂和石墨粉混合搅拌而成复合材料,再经由压模 compression molding压缩成型而制成双极板。这种制作方式可以将流场外形直接制作在模具上,如此可以省去刻化流场程序而大量降低双 极板的制作成本与时间,特别适合大量生产。压铸成型的无孔复合碳板由于加入不 导电聚合物,因此双极板的内电阻较大而影响电池的性能。此外,压铸成型的无孔 石墨板的机械强度仍旧有待加强。33.以氢氧燃料电池为例,其单体电池的工作电压大约在 0.6,0

16、.9V之间。为了满意高电压的要求,必需将多个单体电池串联起来,以提高电池组的输出电压,通常将多个单体电池依据压滤机filter press方式层叠起来,构成一个燃料电池组。34. 电池组的设计 . 第一依据使用者需求和电池性能来打算单体电池的工作 电极 面积和串联数目 工作面积决 定工作电流大小,串联数目打算了工作电压高低. 电池组的设计仍必需考虑反应气体在电池组的各个单体电池间的安排问题 气体安排问题 ,最 佳的气体分布状态是反应气体平均的流入与流出每一个单体可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结装条件下流场阻力相 等;.其次,由电池组组装形成的单体电池之间的共通管道阻力必需小于单

17、体电池的流场阻力。 . 为了降低流场阻力而加大共通管道面积时, 往往 会削减电池的有效利用面积,而造成电池体积功率密度与质量功率密度的下降。. 因此,共通管道的大小必需在流场阻力与电池面积利用率之间取得一个平稳点。35. 电池组的组装 . 密封是组装燃料电池组的关键技术之一,目的是确保阴极与阳极两侧的反应气体不会互窜以及外漏。. 燃料电池组密封所遇到的问题主要是不当密封与材料老化 . 不当的密封设计将使得双极板与电极之间的接触电阻增加而降低电池组性能。 . 电池组运行过程中会因密封件的老化变形而造成反应气体的互窜或外漏。 . 由于在电池运行中密封件的不断变形,电池组需要附加自紧装置或定期人工紧

18、固电池,以确保电池组长期和稳固的运行。. 一般来说,低温燃料电池组可以采纳橡皮环或聚四氟乙烯垫片进行密封,. 高温燃料电池组就必需采纳特殊的密封材料,如 Prexy 玻璃或玻璃 , 陶瓷复合材料等,由于各家厂商都将高温密封技术列为保密技术,因此密封材料的具体成分都不公开。36. 再生能源也叫作永续能源 Sustainable energy,具有可以再生或永久不会衰竭的含义,无碍的球的永续进展37.除了生质能 即生物质能 biomass energy 之外,大部分再生能源部属于间歇性能源intermittent energy,存在着分散性高、来源不稳固以及无法储存等问题. 传统再生能源的使用会对

19、环境造成污染,有违使用再生能源的初衷. 氢能不属于世界能源委员会所定义的再生能源范畴,但氢不仅仅具有再生能源清洁无污染的特性,而且氢含能体能源的特性仍使得氢能可以储存与运输。氢也可以称作再生燃料renewable fuel38. 2002 年初,本田汽车公司展现了全世界第一座利用太阳能产生氢气的加注站位于加州本田研发中心,利用太阳能电解水制造氢气,供应燃料电池汽车使用。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结40.结合高温燃料电池与生物食物链原理的能源使用技术,可以有效的将燃料 中的碳元素始终锁定在能源使用循环中41.为了有效的削减沼气所引发的甲烷与二氧化碳污染排放,生质气 bio-g

20、as的回收利用已经成为国际间的一项重要的能源开发技术42. *关于能源的定义目前有二十来种,具有代表性的说明有四种:1 大英百科全书的定义为 : “能源是一个包括着全部燃料、流水、阳光和风的术语,人类用适当的转换手段便可以让它为自己供应所需的能量” ;2 日本大百科全书的定义为: “在各种生产活动中,我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功,可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体,称为能源”;3 我国能源百科全书的定义为 : “能源是可以直接或经转换供应人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”;4 科学技术百科全书的定义为 : “能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”。简

21、洁的说,能源是自然界中能为人类供应某种形式能量的 物 质资源,它和水、食粮以及生态环境一样,是现代社会进展与人类生活的一种基本物质和必要条件。43. 能源类型分为 1 化石燃料 fossil fuel或化石能源 fossil energy, 即固体燃料、液体燃料、气体燃料 2 其余的能源即为非化石燃料或非化石能源。其中在非化石能源中的水能、太阳能、生物质能、风能、海洋能和的热能等,由于 它们在人类所处的的球上,可以源源不断的产生或再生,因此又称作再生能源renewable energy。 44.人类使用能源的变迁 人类使用能源的变迁 . 第一代主流能源: 柴草,属于再生能源中的生质能. 其次代

22、主流能源 : 煤炭,是化石能源中的固体燃料,属于非再生能源。至今煤炭仍是人类使用的重要能源. 第三代主流能源 : 石油,从 1960 年,石油的消费量超过了煤炭可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结无法大量的直接储存 46.作为能源,氢具有以下特点 :.在全部元素中,氢重量最轻. 在全部气体中,氢气的导热性最好. 氢是自然界存在最普遍的元素,是构成宇宙质量的 75,.除了核能外,氢的热值是全部化石燃料、化工燃料和生物燃料中 最高的,为 142351kJ,kg ,是汽油热值的 3 倍. 氢本身无毒,与其他燃料相比,氢的能源转换过程最清洁,不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和

23、粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,而且所生成的纯水仍可以连续制氢,循环使用.氢能利用的形式多,不仅仅是燃料电池的燃料,也可以经由燃烧产生热能,在热机 中产生气械功,或者转换成固态氢用作结构材料。. 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物形式显现,能适应储运及各种应用环境的不同要求。47. 目前 PAFC产业化进展过程中需要解决的主要问题是: 简化系统,提高可靠性和降低成本。 . PAFC存在的技术问题是工作温度仅在200.左右,余热可利用价值低,电催化剂 Pt 抗 CO性能差,对于自然气、甲醇或乙醇等非纯氢燃料需要进行预处理。48. 目前 SOFC的进展受到材料与制备技术的限制,仍需进行大量的技术

24、基础争论,如解决高温条件下材料的性能与寿命问题,争论电极、电解质及联接体材料之间的固 - 固接触与密封等工程技术问题。49. 世界性的环境污染问题,使车用燃料电池成为当今燃料电池系统开发的重要方向之一。 . 加拿大巴拉德动力系统公司 Ballard Power SystemBPS于 1993年在温哥华科技展览会上推出了世界上第一辆以燃料电池为动力的公共汽车样车,该车以压缩氢为燃料,电池类型为PEMFC50. 燃料电池是一项工艺性极强的综合争论技术,它的进展与电催化材料科学和化工技术的进展亲密相关。 51.六种新型燃料电池 : 超强酸电解质燃料电池、新可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳

25、总结电池和质子陶瓷燃料电池。52.我国燃料电池主要应用背景有四个方面 :.第一,将燃料电池系统用于民用发电,主要是在现场和分散型电站,如宾馆、生活小区以及较偏远的的区供电。发电容量在数十千瓦至兆瓦级范畴内。适合建立燃料电池电站的是PAFC、MCFC和 SOFC。目前, PAFC技术基本成熟,国内不再在 PAFC方面进行工程与基础争论,可依据需要与可能适当引进国外成熟的 PAFC样机进行试运行。 MCFC和 SOFC是值得我国在今后相当长的一段时间内投入力气进行争论与工程开发的,它们将成为干净煤发电的技术之一。. 其次,利用电动汽车进展的机遇,开展电动汽车用的燃料电池系统争论,主要争论PEMFC

26、系统技术并进行工程开发。 . 第三,解决农村能源及城市垃圾场、污水处理场的能源问题。有方案的在农村的区及城市垃圾场、污水处理场开展以沼气类为燃 料的燃料电池系统开发,综合治理农村及城市垃圾场、污水处理场能源资糠的利用、能源供应的结构,爱护生态环境,促进“绿色能源”方案的逐步实现。第四,在肯定的条件下,连续争论与开发航天及军队特殊用途的燃料电池系统,如航天器、舰船、潜艇用能源等。Ch21. 为什么要争论电极热力学和动力学 , 氢氧燃料电池的能量转化方式为电化学反应,与氢氧燃烧的化学反应不完全相同,两者之间的异同之处可以从热力学themodynamics 与动力学 kinetics两个不同的角度来

27、分析 .1 从热力学角度来看热力学关怀化学反应的初始状态与最终状态; 氢氧燃烧的化学反应与燃料电池的电化学反应都是水生成反应,它们的化学反应式相同、反应的初始与最终的状 态函数也一样。因此,两者是基本相同的2 从动力学角度来看化学反应动力学关怀从反应初始状态变成最终状态的过程 途径 ,着重热量转移的热化学反应可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结径使得两者对环境所作的功也不相同。因此,两者是有明显差异的2. 电极热力学 electrode thermodynamics:把热力学第肯定律具体运用到电化学反应上,用试验或运算方法测定电化学反应的能量变化。当燃料电池的能量转 化过程是以热力

28、学上的可逆方式来完成时,就称为可逆燃料电池reversible fuel cell,此时在电极 / 电解质介面上的电极反应同样是可逆的,因此又可以称作可逆电极reversible electrode。 可逆电极电位 : 可逆电极上的电位可逆电极反应基本上是一种抱负状态的电极反应,是处在平稳状态下的电化学反应,本质上没有电 流通过。可借助热力学基本定律来界定反应物的化学能转变成为电能的定量关系, 借助可逆电极电位可以精确的测定化学反应的很多热力学函数,例如自由能的变化量、平稳常数、活性度等。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结45.

29、 反应物质活性度大小的表现 三个方面 : 第一,物质会从活性度高的位置往活性度低的位置移动 扩散 。其次,物质会往邻近的异相移动 沉淀 。其三,物质会借由化学 或电化学 反应来降低其活性度。物质的活性度除了打算反应物质消逝的量之外,同时也打算了反应物质消逝的速率。因此,活性度兼有热力学与动力学上的意义。活性度 =在某状态下的非停滞率 / 在标准状态 STP下的非停滞率 . 活性度是一个没有单位的比值。6. 反应气体的活性度与反应气体分压成正比。7. 热力学所争论的电极电位是在可逆状态下发生的电极反应的电位,又称作可 逆电极电位 . 可逆电极电位是指相对于参考电极的电位差,电池电位就是指燃料电池

30、阴极与阳极的电位差,两者均直接以符号E 来表示可逆电极基本上只是一种抱负状态,电极上没有电流通过燃料电池作功时,就平稳被破坏,发生了不行逆的过程,此即称为电极反应 electrode reaction,电极反应又称作半反应 half reaction或者半电池反应 half-cell reaction。8. 极化: 极化polarization:电极电位与可逆电位偏离的现象,即偏离没有净 电流通过时的电位的电化学现象。过电位overpotential:电极电位变化量的肯定值 =.En-E.。平稳电位 En为无电流通过时的电极电位, E 为有电流通过电极时的电位。极化和过电位两者是相互关联的概念

31、,极化是对任意电极的定性描述,而过 电位就是相对于已知平稳电位的单一电极的定量描述。. 当极化发生在电池的阳极时,称为阳极极化,发生在阴极时,就称为阴极极化。依据极化产生的缘由,可以 简洁的归纳出以 下三项: 活化极化、浓度极化、欧姆极化。 1 活化极化activation polarization:主要是由于电极表面刚要启动电化学反应时,所呈 现速率迟钝的现象。活化极化直接与电化学反应速率有关,因此又称作电化学极化electrochemical polarization,影响这个阶段电压降的主要缘由是来自触媒可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结吸附与脱附动力学。 2 浓度极化 c

32、oncentration polarization:当燃料电池处于高电流状态时,燃料气体与氧化剂必需适时的移动至电极表面 触媒所在的位置 上,才能够维护高电荷交换情形,一旦燃料气体与氧化剂来不及供应,也就是在电极表面无法维护适当反应物浓度时,就发生浓度极化。 . 反应气体来不及到达反应界面,反应物浓度过低。 3 欧姆极化 ohmic polarization: 欧姆电阻主要来自离子在电解质内迁徙以及电子在电极移动时的电阻。电解质与电极电阻均遵循欧姆定律,因此可以表示成 iR 。影响此时电池性能的关键因素为燃料电池的内电阻,包括电解质膜的离子交换电阻以及电极与池体材料之间的 如石墨 接触电阻等。

33、9. 当电极电位接近可逆电位时,有时会由于反应速率常数太小而无法检测到电流。造成这种速率缓慢现象的缘由是由于无法克服反应过程中的活化能。电极反应与化学反应两者都牵涉到活化障碍必需克服的问题,一般化学反应可以提高反应温度来降低活化能,而电极反应的缓慢现象就可以用增加电位来克服。一般来说, 氢氧燃料电池阴极的活化极化比阳极显著10. 当电极电位接近可逆电位时,有时会由于反应速率常数太小而无法检测到电流。造成这种速率缓慢现象的缘由是由于无法克服反应过程中的活化能。电极反应与化学反应两者都牵涉到活化障碍必需克服的问题,一般化学反应可以提高反应温度来降低活化能,而电极反应的缓慢现象就可以用增加电位来克服

34、。一般来说, 氢氧燃料电池阴极的活化极化比阳极显著11. 极化曲线典型燃料电池的极化曲线可以分成三个特点区域 : 活化极化区域、欧姆极化区域、浓度极化区 域 在低电流密度时,电池的电阻主要来自于活化过电位,电池电压随电流密度的增加快速下降 ; 随着电流密度的增加,电池的电阻改由欧姆过电位主导,此时电压降和电流密度呈线性关系 ;可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结当电流密度连续增加,始终到达限制电流时,电池电压会急速下降,电池的电阻主要由传质因素 来掌握,也就是浓度过电位。燃料电池设计的重点之一就是要尽量防止极化现象,也就是设法降低电池中的活化过电位、浓度 过电位和欧姆过电位。12.

35、 效率: 能量转换装置的效率是指从装置输出的可用能量与输入能量之比输出的可用能可以是电能,机械能或者热能等。抱负热机 卡诺热机 的效率:1-Tc/TH 。卡诺热机的效率是全部热机中最高的,一般热机的效率小于卡诺循环效率。“假如燃料电池与热机具有相同的效率下,燃料电池不必像热机一样受到温度的限制。在不受温度限制的情形下,燃料电池具有不必在高温下就能够达到高效率的优势” 比较准确13. 电化学效率 electrochemical efficiency:燃料电池实际输出的电功与可用能之比,也就是燃料电池的实际工作电压与可逆电位之比14. 强化电极反应动力学可以从改善电池的设计着手15. 电催化 el

36、ectrocatalysis指的是电极与电解质界面上进行电荷转移反应时的非均相催化过程。由于燃料电池的电催化反应是在电场的作用下进行的,因此,它比一般非均相催化过程更复杂 . 存在电荷转移反应是电催化区分于一般化学催化的主要特点,争论界面上电荷转移过程是电化学科学的重要组成部分,当反应物吸附在电极表面时,表面反应将包括电子转移与离子转移两个方面,其中也包 含吸附催化过程。16. 电催化剂 触媒 应具有加速反应速率的功能,其作用原理是通过转变反应途径,使反应过程中的活化能降低 17.评判燃料电池电催化剂 触媒 的三个主要技术指标 : 稳固性、电催化活性、电导率 .1稳固性: 要求电催化剂 触媒

37、在其特定环境中具有良好的稳固性。例如: 酸碱性电解质电池要求 电催化剂 触媒 耐腐蚀,不易为一氧化碳等毒化剂中毒 ; 高温可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结化活性: 交换电流密度 io 是评判电催化剂 触媒 优劣的数据之一 ; 电催化剂 触媒 活性仍表现在反应物 燃料与氧化剂 在电极反应中转化与利用程度。 3 电导率: 电催化剂 触媒 必需具有良好的电导率 ; 如电催化剂本身电导性较差 或是半导体 , 就它必需负载于电导性材料内,如以石墨作载体。18.电催化剂 触媒 的挑选与设计可按以下基本原理或原就 1 基于活化模式的考虑: 反应物分子在电催化剂表面进行有效的化学吸附是电催化过

38、程分子活化的前提。化学吸附分为缔合吸附与解离吸附两种类型。解离吸附活化是反应物分子活 化的主要途径。 2 基于催化反应的体会规律考虑: 在考虑分子活化过程中,吸附键强度是一个特别重要的参数,它对催化活性有很大的影响。反应物分子在催化剂表 面上形成的吸附键强度必需位于一相宜的范畴,吸附键太强或太弱都不是相宜的 “火山形效应” 。3 键合理论与电催化剂设计的考虑Ch31.碱性燃料电池也称作碱液燃料电池 alkaline fuel cell, AFC,它是最早开发并获得胜利应用的一种燃料电池。1940,1950 年,剑桥高校的培根 F. T. Bacon博土制造出世界上第一个碱性燃料电池 培根电池

39、2 现代的碱性燃料电池 AFC是以石棉网作为电解质的载体、氢氧化钾KOH溶液作为电解质、工作温度在 60,200. 之间的一种燃料电池。高温 200. 时,采纳高浓度的氢氧化钾 85, 电解质,在较低温度 120. 时,就采纳低浓度的氢氧化钾35,50,电解质。3 AFC的特点:1 能量转换效率高。一般 AFC的工作电压在 0.800.95V 时,其电能转换效率可以高达60 ,70,。2可以使用非铂触媒,如雷尼金属Raney metal 、硼化镍等。既可以降低成本,又不受铂资源的限制。3 结构可以使用塑料、石墨或者非珍贵与稀有金属等较为廉价的材料。可以采纳镍板或镀镍金属板作可编辑资料 - -

40、- 欢迎下载精品名师归纳总结热治理比较简洁。4. AFC 的缺点:1 在以空气作为氧化剂时,必需清除空气中所含的二氧化碳。(2) 当以各种碳氢化合物的重整改质气体作为燃料气体时,必需去除气体中的二氧 化碳。大大增加了电池的成本。 3 碱性燃料电池采纳氢氧化钾或氢氧化钠作电解质,进行电化学反应所生成的水必需准时排除,以维护其浓度不变,排水方法及其掌握均增加了燃料电池的复杂性,相应的也增大了成本。前两个缺点严峻的限制了碱性燃料电池在的面应用的可能性。5. 原理与其他燃料电池 氢氧燃料电池 相比,其最大的不同之处就是 AFC是在阳极侧产生水,而 PEMFC与 PAFC就是在阴极侧产生水。电解液保持在

41、多孔质基体中的基 体型和自由电解液型6 碱性燃料电池的关键元件对于 AFC电极的要求是 : 具有较好的电导特性,以便削减欧姆损耗; 具有足够的机械强度与合适的孔隙率 ; 在碱性电解质环境中具有肯定的化学触媒活性; 在较长时间内保持电化学触媒的活性。触媒: 触媒可以选用贵金属 , 也可以选用非贵金属电极的结构 : 以过渡金属为触媒的电极普遍采纳烧结型或雷尼金属结构的双孔结构电极 ; 而以贵金属为触媒的碱性燃料电池,就采纳疏水剂粘结型电极电解质载体隔膜 :双极板与流场 : 石墨和镍作为双极板材料具有化学稳固性,在碱性介质中不易腐蚀,而且价格也并不昂贵,因此适合作为碱性燃料电池的双极板材料,但是AFC可编辑资料 -