燃料电池材料.ppt

3.6 MCFC需要解决的关键技术 3.6.1 阴极熔解 MCFC电极为锂化的NiO。随着电极长期工作运行，阴极在熔盐电解质中将要发生熔解，熔解产生的Ni2+扩散进入到电池隔膜中，被隔膜阳极一侧渗透的H2还原称金属Ni，而沉积在隔膜中，严重时导致电池短路。 3.6.2 阳极蠕变 MCFC阳极最早采用烧结Ni做电极，由于MCFC属于高温燃料电池，在高温下还原气氛中的Ni将 蠕变，从而影响了电池的密封性和电池性能。为提高阳极的抗蠕变性能和力学强度，国外采用以下方法：向Ni阳极中加入Cr、Al等元素，形成Ni-Cr，Ni-Al合金，以达到弥散强化的目的；向Ni阳极中加入非金属氧化物，利用非金属氧化物良好的抗高温蠕变性能对阳极进行强化。 3.6.3 熔盐电解质对电极双极板材料的腐蚀 MCFC双极板通常用的材料是SUS310或SUS316等不锈钢，长期工作后，会造成电极双极板材料 腐蚀，为提高双极板的抗腐蚀性能，一般国外采取在双极板表面包覆一层Ni或Ni-Cr-Fe耐热合金或在双极板表面上镀Al或Co。目的是提高抗腐蚀性能。 3.6.4电解质流失问题 随着MCFC运转工作时间的加长，熔盐电解质将按照以下的途径发生部分流失： （1）阴极溶解导致流失 （2）阳极腐蚀导致流失； （3）双极板腐蚀导致流失； （4）熔盐电解质蒸发损失导致流失； （5）电解质迁移导致流失。 为了保证MCFC内部有足够的电解质，一般在电池结构上增加补盐设计，如在电极或基板上加工一部分沟槽，用在沟槽中贮存电解质的方法补盐，使延流失的影响降为最低。 在全氟磺酸膜内部存在相分离，磺酸基团并非均匀分布于膜中，而是以离子簇的形式与碳-氟骨架产生微观相分离，离子簇之间通过水分子相互连接形成通道(下图所示)，这些离子簇间的结构对膜的传导特性有直接影响。 因为在质子交换膜相内，氢离子是以水合质子H+(xH2O)的形式，从一个固定的磺酸根位跳跃到另一个固定的磺酸根位，如果质子交换膜中的水化离子簇彼此连接时，膜才会传导质子。膜离子簇间距与膜的EW值和含水量直接相关，在相同水化条件下，膜的EW值增加，离子簇半径增加；对同一个质子交换膜，水含量增加，离子簇的直径和离子簇间距缩短，这些都有利于质子的传导。 2.3.2 耐热型质子交换膜 目前PEMFC的发电效率为50%左右，燃料中化学能的50%是以热能的形式放出，现采用全氟磺酸膜的PEMFC 由于膜的限制，工作温度一般在80℃左右，由于工作温度与环境温度之间的温差很小，这对冷却系统的难度很大。工作温度越高，冷却系统越容易简化，特别是当工作温度高于100℃时，便可以借助于水的蒸发潜热来冷却，另一方面，重整气通常是由水蒸气重整法制得的，如果电催化剂的抗CO 能力增强，即重整气中CO 的容许浓度增大，则可降低水蒸气的使用量，提高系统的热效率。 由此可见，随着质子交换膜工作容许温度区间的提高，给PEMFC 带来一系列的好处，在电化学方面表现为：(1)有利于CO 在阳极的氧化与脱付，提高抗CO 能力；(2)降低阴极的氧化还原过电位；(3)提高催化剂的活性；(4)提高膜的质子导电能力。在系统和热利用方面表现为：(1)简化冷却系统；(2)可有效利用废热；(3)降低重整系统水蒸气使用量。随着人们对中温质子交换膜燃料电池认识的加深，开发新型耐热的质子交换膜正在被越来越多的研究工作者所重视。 目前开发的耐热型质子交换膜大致分为中温和高温两种，前者是指工作温度区间在100～150℃的质子交换膜，质子在这种膜中的传导仍然依赖水的存在，它是通过减少膜的脱水速度或者降低膜的水合迁移数使膜在低湿度下仍保持一定质子传导性，后者的工作温度区间则为150～200℃，对于这种体系，质子传导的水合迁移数接近于零，因此它可以在较高的温度和脱水状态下传导质子，这对简化电池系统非常重要。 全氟树脂/BMITf 掺杂膜的 离子电导性能 开发耐高温质子交 换膜根本途径是降低膜 的质子传导水合迁移数， 使膜的质子传导不依赖 水的存在。在这方面的 研究工作中，一方面有 人采用高沸点的质子传 导体，如咪唑或吡唑代 替膜中的水，使膜在高 温下保持质子导电性能 （如图），另一个引人 注目的工作是聚苯并咪唑(PBI)/H3PO4膜，由浸渍方法制成的磷酸PBI 膜在高温时具有良好的电导率。 2.3.3膜电极三合一组件的制备 膜电极三合一组件(MEA)是由氢阳极、质子交换膜和氧阴极热压而成，是保证电化学反应能高教进行的核心，膜电极三合一组