燃料电池-课件.ppt

研究历史 金属/空气电池的历史几乎就是空气电极的历史。 早在19世纪初，空气电极就有报道。但直到1878年，采用镀铂碳电极代替了克朗谢电池中的正极MnO2，才真正制成了第一个空气电极。但采用微酸性电解液，电极性能很低，限制电池的应用。 1932年，Heise和Schumacher制成了碱性锌/空气电池，以汞齐化锌为负极，具有较高的能量密度，但输出功率低，主要用于铁路信号灯和航标灯的电源。 20世纪60年代，由于燃料电池研究的发展，出现了高性能的碱性空气电极。这种新型气体扩散电极具有良好的气/液/固三相结构，电流密度可达100mA/cm2, 从而使高功率锌/空气电池得以实现。 1977年，小型高性能的扣式锌/空气电池已成功进行商业化生产，广泛用于助听器的电源。 近年来，随着气体扩散电极理论的进一步完善以及催化剂制备和气体电极制作工艺的发展，碱性空气电极的性能有了进一步的提高。同时，对金属/空气电池气体管理的研究提高了电池的环境适应能力。 关键部件 关键部件 电极 电解液 金属负极 碱性空气正极 常 用 锌负极 铝负极 锌负极 锌在地壳中的丰度是76×10-6，在元素丰度中占25位。 单质锌是银白色金属，熔点为419.5℃，是热和电的良导体。由于锌电极具有平衡电势低、质量和体积比能量高、资源丰富、无环境污染等优点，因此锌电极被广泛作为一次电池和二次电池的负极材料。 锰酸锶镧(LSM)为钙钛矿结构，在高温（800-1000℃）下，具有合适的电子电导率和催化活性和良好的化学稳定性，且与YSZ有相近的热膨胀系数，从而成为高温SOFC的首选阴极材料。 阴极 电子导电阴极 离子-电子混合导电阴极 新型阴极 混合导电材料同时具有电子和氧离子的导电特性，用其作阴极电极性能较好，这种材料常用于中温SOFC的电极材料。 常见的混合导体为掺杂的钙钛矿结构氧化物，A1-xCxBO3-δ. A为一般为La系稀土金属元素；B位一般为过渡金属元素，或若干种过渡金属元素的组合；C代表掺杂物种，一般为碱土金属元素。其电学性质和氧还原催化活性与La系元素的性质以及碱土金属的取代量有关。 Ishihara发现A位为Pr时该类复合氧化物的活性最好。 阴极 电子导电阴极 离子-电子混合导电阴极 新型阴极 梯度阴极 梯度阴极是一种微结构优化的新型梯度功能材料，梯度功能材料是一种把某些性质不兼容的不同材料结合起来的有效方法。梯度功能材料的界面是递进的从一种材料转化到另一种材料，在两种材料间不会有组成和（或）为结构的突变，而且随着组成的变化，材料的有效特性也发生改变，同时避免了诸如热膨胀系数等的不连续对材料的结构和稳定所造成的破坏。 阳极 石墨 贵金属Pt Fe 过渡金属 Co Ni 容易发生电化学氧化腐蚀 阳极 石墨 贵金属Pt Fe 过渡金属 Co Ni Pt电极在SOFC 运行中，反应产 生的水蒸气会使 阳极和电解质层 发生分离 阳极 石墨 贵金属Pt Fe 过渡金属 Co Ni 阳极氧分压超过一 定值时会被氧化 阳极 石墨 贵金属Pt Fe 过渡金属 Co Ni 相对比较稳定，但 价格高，熔点低 阳极 石墨 贵金属Pt Fe 过渡金属 Co Ni 1000℃时就容易烧 结，阻塞阳极的气 孔结构 纯金属阳极都不能为SOFC技术所采用。 要阻止镍的烧结和晶粒生长，最好的办法就是在镍中添加电解质YSZ,构成Ni/YSZ金属陶瓷。Minh等早在1964年就首次把镍和氧化锆的复合材料用作SOFC的阳极。复合阳极中的陶瓷组分阻止了在高温及长期运行时多孔金属结构的致密化，同时使阳极和电解质的结合更加紧密。为了保证其中电子导电的连续性，金属的含量有一个阈值，同时氧化锆颗粒也是连续的。Spacil认为复合材料中的陶瓷相主要起结构方面的作用，即保持金属颗粒的分散性和长期运行时阳极的多孔结构。现在的研究一般认为，加入的陶瓷组分除了起到结构方面的作用外，还可以为阳极提供一定的氧离子导电性，从而增加反应的活性点，提高材料的催化活性。 目前阳极的材料体系和微结构设计已是多种多样。 材料体系方面，在传统的Ni/YSZ的基础上，发展出了Ni/DCO材料，已被广泛用于中低温SOFC. Gorte等金属铜代替或取代部分Ni,发现Cu、Ni、CeO2/YSZ复合阳极对多种碳氢化合物（例如甲烷、乙烷、丁烷、丁烯、甲苯等）的直接电化学氧化有良好的催化活性，而且没有积炭现象。La0.8Ca0.2CrO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3等也被作为阳极材料加以研究。 大量的研究工作还集中在通过采用新的合成方法改进初始粉体形貌，进而优化阳极的微