用天然气做燃料极空气做氧化极的燃料电池.docx

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1、用天然气做燃料极空气做氧化极的燃料电池燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池氢一氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为：负极：H2+20M2H2O+2e正极：

2、l22+H2O+2e201电池反应：H2+l202=H20另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H+2e（1）空气极：2H+l202+2e=H20（2）全体：H2+l202=H20（3）在燃料

3、极中，供给的燃料气体中的压分解成H和一，H移动到电解质中与空气极侧供给的发生反应。经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了。不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由比和生成的乩0,除此以外没有其他的反应，出所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体

4、流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H八CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成乩和C02.经过如此处理后的燃料气体进

5、入燃料堆的负极（燃料极），同时将氧输送到燃料堆的正极（空气极）进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SoFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MeFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约60(700C的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为银系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MC

6、FC工作原理。空气极的。2(空气)和CO2与电相结合，生成C(V(碳酸离子)，电解质将C(V-移到燃料极侧，与作为燃料供给的M相结合，放出e,同时生成HzO和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2+C032=H20+C02+2e(4)空气极：C02+l202+2e=C032(5)全体：H2+l202=H20(6)在这一反应中，。一同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由。在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的C离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的C

7、H,在电池内部改质，在电池内部直接生成山的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和上0反应生成比，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化错),它构成了仁的导电体Y2O3(氧化忆)作为稳定化的YSZ(稳定化氧化错)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMno3(氧化锢镒)。隔板采用LaCrO3(氧化锢格)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的

8、平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：燃料极：H2+02=H20+2e(7)空气极：l202+2e=()2-(8)全体：H2+12O2=H2O(9)燃料极，压经电解质而移动，与0.反应生成H2O和9。空气极由Oz和院生成0。全体同其他燃料电池一样由乩和O?生成H?0。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份C乩改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。组成结构。燃料电池的主要构成组件为：电极(EIeCtrodc)、电解质隔膜(ElectrolyteMembrane)与集电器(CurrentC

9、ollector)等。1、电极燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode）,另一为阴极（Cathode）,厚度一般为200500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研窕阶段步入

10、实用化阶段的重要关键原因之一。目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFO的Y2O3stabilizedZr2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFe）的氧化银电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。2、电解质隔原电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜

11、、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂一钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFOo3、集电器集电器又称作双极板（BipolarPlate）,具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。下面介绍一种新型PAFC燃料电池。这种新型燃料电池的结构如下图所示负极正极双极板燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内

12、部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。空气极的。2(空气)和C02与电相结合，生成C(V-(碳酸离子)，电解质将C(V移到燃料极侧，与作为燃料供给的M相结合，放出,同时生成比0和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2C032=H20+C02+2e(4)空气极：C02+l202+2e=CO(5)全体：H2+l2O2=H2(6)天然气，主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3

13、%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成，通过玻璃管进入到燃料电池的负极管中的电解池中，空气或氧气通过玻璃管进入到燃料电池的正极管中的电解池中，玻璃管正极玻璃管的末端是正极，负极玻璃管的末端是负极，电极均采用多孔高银钢管或钙钛矿金属氧化物,阴极为银酸钢复合氧化物，或阴极为锢系铁酸盐/银酸盐复合阴极材料，或阴极为SnIo.5Sr0.5Co03材料，或阴极为Sn.5SrO.5Co03-LaO.8SrO.2GaO.8MgO.15CoO.0503复合阴极,阳极为银-铁-铁酸翎复合阳极物。或阳极为绿酸锄基SOFC阳极。或阳极为复合电极La-Ni-B。或阳极为银-绿酸制复合阳极，或阳极为基于钵铁掺杂的铝酸盥锢的

14、燃料电池阳极复合材料燃料电池的电解池由铝银钢构成，双极板为316L不锈钢双极板。隔膜由两层石棉膜中间加一层玻璃棉，一层海绵，一层活性炭膜，一层石墨粉末制造。电解液主要成分为碳酸锂，碳酸钾，磷酸锂，磷酸钾，磷酸钠水溶液。用汽油喷灯将燃料电池加热到60070(C,电解液中的碳酸锂，碳酸钾，磷酸锂，磷酸钾，磷酸钠水溶液形成水蒸气雾化后的气态。天然气在阴极电解液中在铁元素的催化下变成氢气，氢气和碳酸根离子反应生成水和电子。电子通过隔膜进入阳极电解室。空气中的氧气和二氧化碳在阳极电解液中和电子反应生成碳酸根。碳酸根通过隔膜进入阴极电解室。钢系铁酸盐/银酸盐复合阴极材料的制备方法可见专利种铁酸锢/锲酸锢系

15、燃料电池膜电极材料及其制备方法，专利号为201711455372.3。它的制备方法如下。将固相烧结的钮掺杂氧化错材料与锢系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，含Sr助剂中包含少量锢类氧化物，形成YSZ-Lal-xSrxFcO3类材料前驱体浆料。之后将球磨后的浆体均匀涂覆在银酸盐基阵列上，经过预烧，烧结，保温，剥黑基底等工序，制备得到锄系铁酸盐/银酸盐复合阴极材料。制备的膜电极材料结构为镯系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，银酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构更合的阴极材料。可以在保持银酸盐的高质子迁移率和电子迁移率的同时防止与YSZ电解质发生反应，同时铁盐的引入

16、可以稳定其钙钛矿结构，解决了传统LaSrFeNi03类材料镁掺杂后引起的催化活性下降的问题。二甲醛燃料电池银-铁-钱酸副复合阳极的研究掺杂的钱酸锢具有高的氧离子电导率、氧迁移数以及较好的稳定性，是一种有前景的中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)电解质材料。以掺杂的铁酸翻为电解质的高性能二甲醛(DME)ITSOFC的开发逐渐引起人们的兴趣。本文考察了锲-铁-铁酸锄材料作为DME燃料电池阳极的性能，并对用于阳极测试的三电极测试体系进行了初步研窕，分析了参比电极位置、对电极活性对测试结果的影响。用浸渍法制备了系列Ni-Fe-1.aO.8SrO.2GaO.8MgO.115Co0.08503(Ni-Fe-LSGMC8.5)复合阳极，LSGMC8.5占电极质量的