堿性燃�電池(alkaline fuel cell,AFC)是一�燃料電池,由法蘭西斯·湯瑪士·培根(Francis Thomas Bacon)所�(fā)明,以碳為電�,并使用氫氧化鉀為電解質(zhì)。堿性燃料電池的電能�(zhuǎn)換效率為所有燃料電池中的,可達(dá)70%�
?�?)循�(huán)式電解質(zhì)堿性燃料電�。電解質(zhì)溶液被泵入燃料電池的堿腔,電解質(zhì)在堿腔中循環(huán)使用。這一�(shè)�(jì)的優(yōu)�(diǎn)在于它可以隨�(shí)更換電解�(zhì)�
�2)固定式電解�(zhì)堿性燃料電�。電池堆的每一�(gè)電池都有一�(gè)屬于自己的獨(dú)立的電解�(zhì),他被放在兩�(gè)電解之間的隔膜材料里。這�(gè)�(shè)�(jì)由于其結(jié)�(gòu)的簡(jiǎn)單�,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天飛行器中�
?�?)可溶解燃料堿性燃料電�。在電解�(zhì)中混合了肼或氨這類燃料。這�(gè)�(shè)�(jì)成本�,結(jié)�(gòu)緊密,制作簡(jiǎn)單且易于�(bǔ)充燃��
氫氧燃料電池有兩�(gè)燃料入口,氫及氧各由一�(gè)入口�(jìn)入電池,中間則有一組多孔性石墨電�,電解質(zhì)則位于碳陰極及碳�(yáng)極中�。氫氣經(jīng)由多孔性碳�(yáng)極�(jìn)入電極中央的氫氧化鉀電解�(zhì),在接觸后�(jìn)行氧�,產(chǎn)生水及電��
H2 + 2OH- � 2H2O + e-
電子�(jīng)由外電路提供電力并流回陰�,并在陰極與氧及水接觸后反應(yīng)形成氫氧根離�
O2 + 2H2O + 4 e- � 4OH-
水蒸汽及熱能由出口離�(kāi),氫氧根離子�(jīng)由氫氧化鉀電解�(zhì)流回�(yáng)�,完成整�(gè)電路�
堿性燃料電池通常用氫氧化鉀或氫氧化鈉為電解�(zhì),導(dǎo)電離子為OH-,燃料為��
�(yáng)極反�(yīng):H2+2OH- �2H2O+O2 �(biāo)�(zhǔn)電極電位�-0.0828V
陰極反應(yīng)�1/2O2+H2O+2e- �2OH- �(biāo)�(zhǔn)電極電位�0.401V
總反�(yīng)� 1/2O2+O2+H2 � H2O 理論電動(dòng)�(shì)�0.401-�-0.828�=-1.229V
AFC的催化劑主要用貴金屬�、鈀、金、銀和過(guò)渡金屬鎳、鈷、錳等�
AFC的優(yōu)�(diǎn)是:
效率�,因?yàn)檠踉趬A性介�(zhì)中的還原反應(yīng)比其他酸性介�(zhì)高;
�?yàn)槭菈A性介�(zhì),可以用非鉑催化��
因工作溫度低,堿性介�(zhì),所以可以采用鎳板做雙極��
AFC的缺�(diǎn)是:
�?yàn)殡娊赓|(zhì)為堿�,易與CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀,嚴(yán)重影響電池性能,所以必須除去CO2,這給其在常規(guī)�(huán)境中�(yīng)用帶�(lái)很大的困難�
?�?)航天飛行器用動(dòng)力電��
?�?)軍事裝備電源;
?�?)電�(dòng)汽車用的�(dòng)力電��
?�?)民用發(fā)電裝��
上世紀(jì)60年代�,中溫堿性燃料電池被用于太陽(yáng)神阿波羅太空飛船,標(biāo)志著燃料電池技�(shù)成為民用。堿性燃料電池在太空飛行中的�(yīng)用獲得成�,因?yàn)榭臻g站的推動(dòng)原料是氫和氧,電池反�(yīng)生成的水�(jīng)�(guò)凈化可供宇航員飲�,其供氧分系�(tǒng)還可以與生保系統(tǒng)互為備份,而且�(duì)空間�(huán)境不�(chǎn)生污��
20世紀(jì)90年代以來(lái),眾多汽車生�(chǎn)商都在研究使用低溫燃料電池作為汽車動(dòng)力電池的可行�。由于低溫堿性燃料電池存在易受CO2毒化等缺�,使其在汽車上的�(yīng)用受到限�,因此,除少�(shù)�(jī)�(gòu)還在研究堿性燃料電池外,大多數(shù)汽車廠商和研究機(jī)�(gòu)都在�(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)上尋求突破。然而PEMFC和DMFC都以貴金屬Pt為主催化�,一旦PEMFC和DMFC�(dá)到真正的批量生產(chǎn)階段,將被迫面臨Pt的匱乏。堿性燃料電池可以不采用貴金屬作催化�,如果采用CO2�(guò)濾器或堿液循�(huán)等手段去除CO2,克服其致命弱點(diǎn)�,用于汽車的堿性燃料電池將具有�(xiàn)�(shí)意義。因此,堿性燃料電池領(lǐng)域近年的研究重點(diǎn)是CO2毒化解決方法和替代貴金屬的催化劑�
近年的研究表明,CO2毒化�(wèn)題可通過(guò)多種方式解決,如通過(guò)電化�(xué)方法消除CO2,使用循�(huán)電解�(zhì)、液�(tài)氫,以及�(kāi)�(fā)先�(jìn)的電極制備技�(shù)�。德�(guó)的Gulzow,E.等人2004年研究發(fā)�(xiàn):當(dāng)電極采用特殊方法制備�(shí),可以在CO2含量較高的條件下正常�(yùn)行而不受毒化。在電極制備�,催化劑材料與PTFE �(xì)顆粒在高速下混合,粒徑小�1μm的PTFE小顆粒覆蓋在催化劑表面,增加了電極強(qiáng)�,同�(shí)也避免了電極被電解液完全淹沒(méi),減小了碳酸鹽析出堵塞微孔及�(duì)電極造成�(jī)械損害的可能�。香港大�(xué)倪萌等人2004年提出使用氨(NH3)作為氫源在堿性燃料電池上使用將具有較好的�(fā)展前�。氨在室溫下僅需8�9MPa就可被液化,不需較高能量消�,且�(jià)格低,已有比較完善的生產(chǎn)、運(yùn)輸體系。氨具有�(qiáng)烈刺鼻的氣味,其泄漏很容易檢�(cè)。氨的爆炸范圍比較小,僅15%�28%(體積比�,相�(duì)安全。在堿性燃料電池使用中,只需在燃料入口增加一�(gè)重整器,將NH3分解為N2 和H2 即可。NH3的使用為堿性燃料電池的�(yīng)用展�(kāi)了一片較好的前景�
在替代貴金屬的催化劑方面,近年的研究集中于:如何在非貴金屬催化劑的穩(wěn)定性和電極性能方面取得突破,開(kāi)�(fā)與貴金屬?gòu)?fù)合的多元催化�,以及提高貴金屬利用�、降低貴金屬�(fù)載量�?;诩{米材料的電催化劑的應(yīng)用研究是該領(lǐng)域近年的�(fā)展方向之一,納米材料具有大比表面積、優(yōu)良的�(dǎo)電性,在強(qiáng)堿液中表�(xiàn)出良好的耐蝕�,碳納米管(CNTs)可作為堿性燃料電池中H2氧化反應(yīng)的催化劑或催化劑載體�2000年,印度的N.Rajalakshmi等人采用直流電弧放電法制備單壁碳納米管,�(jīng)�(guò)加熱、純�、濃硝酸處理�(guò)后的碳納米管具有類似于金屬氫化物的催化活�。將其與銅粉按比例混合后制備的工作電極的電化�(xué)性能�(wěn)�、效率較高�2007�,日本汽車商Daihatsu宣布�(kāi)�(fā)出一款無(wú)鉑的堿性燃料電�。該技�(shù)適用于小型、有限范圍的汽車,對(duì)性能和耐久性的要求不像大型汽車那么�(yán)格,但該技�(shù)還處于初�(jí)階段,近期不�(huì)有商�(yè)化產(chǎn)品�
近年�(lái),國(guó)際研究者在CO2毒化解決方法和替代貴金屬的催化劑方面取得的研究�(jìn)展,為低溫堿性燃料電池的汽車�(yīng)用創(chuàng)造了可能��
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