堿性燃料電池的發(fā)展歷程?
作者:訪客發(fā)布時(shí)間:2021-07-06分類:催化劑及助劑瀏覽:82
堿性燃料電池(alkaline fuel cell,AFC)是第一個(gè)燃料電池技術(shù)的發(fā)展,最初由美國航空航天局的太空計(jì)劃,同時(shí)生產(chǎn)電力和水的航天器上。AFCS繼續(xù)使用NASA航天飛機(jī)上的整個(gè)程序中,除了數(shù)量有限的商業(yè)應(yīng)用。
簡(jiǎn)介
電動(dòng)車輛和規(guī)模化儲(chǔ)能等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,以及高性能便攜式電子設(shè)備的進(jìn)步,迫切需要高效、清潔的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前廣泛使用的鋰離子電池的能量密度已接近理論極限,無法滿足對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的迫切要求。因此,全世界都在積極探索下一代的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
燃料電池(fuel cells,F(xiàn)C)是一種可以將儲(chǔ)存在燃料和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。普通的內(nèi)燃機(jī)由于需要經(jīng)歷熱機(jī)過程,受卡諾循環(huán)的限制,其能量轉(zhuǎn)化率大多低于 15%,燃料電池不受此限制,因而具有很高的能量轉(zhuǎn)化率,一般為 40%~60%,如果將余熱充分利用,甚至可以高達(dá) 90%。此外,燃料電池在工作時(shí),其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有 H2O 和CO2,很少會(huì)排放出 NOx和 SOx,
因而不會(huì)污染環(huán)境,是新一代的綠色能源。燃料電池在工作時(shí)排出的二氧化碳量,也低于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的 60%。可見,燃料電池對(duì)解決目前全世界所面臨的能源安全(Energy Security)和環(huán)境保護(hù)(Environment Protection)兩大難題都具有極其重要的意義。同時(shí),燃料電池由于具有高效、綠色、安全等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的新能源之星。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)已研究開發(fā)出來的燃料電池,按照電解質(zhì)的種類進(jìn)行分類,主要分為 5 種:堿性燃料電池(AFC),一般用 6~8 mol·L-1的 KOH 溶液作為電解質(zhì);磷酸型燃料電池(PAFC),大多以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 98wt%左右的濃 H3PO4溶液為電解質(zhì);熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC),大多將 Li2CO3和 K2CO3按一定比例混合后作為電解質(zhì);質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC),通常采用美國 Du Pont 公司生產(chǎn)的 Nafion 膜作為電解質(zhì);固體氧化物燃料電池(SOFC),采用 YSZ(Y2O3摻雜穩(wěn)定的 Zr O2)等作為氧離子導(dǎo)體。
在眾多類型的燃料電池中,堿性燃料電池(AFC)技術(shù)是最成熟的。從 20 世紀(jì)60 年代到 80 年代,國內(nèi)外學(xué)者深入廣泛地研究并開發(fā)了堿性燃料電池。但是在80 年代以后,由于新的燃料電池技術(shù)的出現(xiàn),例如 PEMFC 使用了更為便捷的固態(tài)電解質(zhì)而且可以有效防止電解液的泄漏,AFC 逐漸褪去了其原有的光彩。但是,通過 PEMFC 和 AFC 之間的對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn)理論上 AFC 的性能要優(yōu)于 PEMFC,甚至早期的 AFC 系統(tǒng)都可以輸出比現(xiàn)有 PEMFC 系統(tǒng)更高的電流密度。成本分析表明:AFC 系統(tǒng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)車與 PEMFC 相比要更有優(yōu)勢(shì)。與 PEMFC 相比,AFC 在陰極動(dòng)力學(xué)和降低歐姆極化方面具有很多優(yōu)勢(shì);堿性體系中的氧還原反應(yīng)(ORR)動(dòng)力學(xué)比酸性體系中使用 Pt 催化劑的 H2SO4體系和使用 Ag催化劑的HCl O4體系都要更高。同時(shí),堿性體系的弱腐蝕性也確保了 AFC 能夠長(zhǎng)期工作。AFC 中更快的 ORR 動(dòng)力學(xué)使得非貴金屬以及低價(jià)金屬例如 Ag 和 N i 作為催化劑成為可能,這也使得 AFC 與使用 Pt 催化劑為主的 PEMFC 相比更有競(jìng)爭(zhēng)力。因此,近年來對(duì)堿性燃料電池研究的復(fù)蘇逐漸凸顯出來。
簡(jiǎn)介
電動(dòng)車輛和規(guī)模化儲(chǔ)能等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,以及高性能便攜式電子設(shè)備的進(jìn)步,迫切需要高效、清潔的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前廣泛使用的鋰離子電池的能量密度已接近理論極限,無法滿足對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的迫切要求。因此,全世界都在積極探索下一代的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
燃料電池(fuel cells,F(xiàn)C)是一種可以將儲(chǔ)存在燃料和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。普通的內(nèi)燃機(jī)由于需要經(jīng)歷熱機(jī)過程,受卡諾循環(huán)的限制,其能量轉(zhuǎn)化率大多低于 15%,燃料電池不受此限制,因而具有很高的能量轉(zhuǎn)化率,一般為 40%~60%,如果將余熱充分利用,甚至可以高達(dá) 90%。此外,燃料電池在工作時(shí),其反應(yīng)產(chǎn)物一般只有 H2O 和CO2,很少會(huì)排放出 NOx和 SOx,
因而不會(huì)污染環(huán)境,是新一代的綠色能源。燃料電池在工作時(shí)排出的二氧化碳量,也低于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的 60%。可見,燃料電池對(duì)解決目前全世界所面臨的能源安全(Energy Security)和環(huán)境保護(hù)(Environment Protection)兩大難題都具有極其重要的意義。同時(shí),燃料電池由于具有高效、綠色、安全等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的新能源之星。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)已研究開發(fā)出來的燃料電池,按照電解質(zhì)的種類進(jìn)行分類,主要分為 5 種:堿性燃料電池(AFC),一般用 6~8 mol·L-1的 KOH 溶液作為電解質(zhì);磷酸型燃料電池(PAFC),大多以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 98wt%左右的濃 H3PO4溶液為電解質(zhì);熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC),大多將 Li2CO3和 K2CO3按一定比例混合后作為電解質(zhì);質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC),通常采用美國 Du Pont 公司生產(chǎn)的 Nafion 膜作為電解質(zhì);固體氧化物燃料電池(SOFC),采用 YSZ(Y2O3摻雜穩(wěn)定的 Zr O2)等作為氧離子導(dǎo)體。
在眾多類型的燃料電池中,堿性燃料電池(AFC)技術(shù)是最成熟的。從 20 世紀(jì)60 年代到 80 年代,國內(nèi)外學(xué)者深入廣泛地研究并開發(fā)了堿性燃料電池。但是在80 年代以后,由于新的燃料電池技術(shù)的出現(xiàn),例如 PEMFC 使用了更為便捷的固態(tài)電解質(zhì)而且可以有效防止電解液的泄漏,AFC 逐漸褪去了其原有的光彩。但是,通過 PEMFC 和 AFC 之間的對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn)理論上 AFC 的性能要優(yōu)于 PEMFC,甚至早期的 AFC 系統(tǒng)都可以輸出比現(xiàn)有 PEMFC 系統(tǒng)更高的電流密度。成本分析表明:AFC 系統(tǒng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)車與 PEMFC 相比要更有優(yōu)勢(shì)。與 PEMFC 相比,AFC 在陰極動(dòng)力學(xué)和降低歐姆極化方面具有很多優(yōu)勢(shì);堿性體系中的氧還原反應(yīng)(ORR)動(dòng)力學(xué)比酸性體系中使用 Pt 催化劑的 H2SO4體系和使用 Ag催化劑的HCl O4體系都要更高。同時(shí),堿性體系的弱腐蝕性也確保了 AFC 能夠長(zhǎng)期工作。AFC 中更快的 ORR 動(dòng)力學(xué)使得非貴金屬以及低價(jià)金屬例如 Ag 和 N i 作為催化劑成為可能,這也使得 AFC 與使用 Pt 催化劑為主的 PEMFC 相比更有競(jìng)爭(zhēng)力。因此,近年來對(duì)堿性燃料電池研究的復(fù)蘇逐漸凸顯出來。
AFC 陽極電催化劑的研究進(jìn)展
電催化劑是燃料電池的關(guān)鍵組成部分,其性能高低直接決定了燃料電池的工作性能。燃料電池對(duì)電催化劑的基本要求為:(1)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)具有很高的催化活性,能夠加速電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行;(2)對(duì)反應(yīng)的催化作用具有選擇性,即只對(duì)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)具有催化作用,對(duì)其他副反應(yīng)并無催化作用;(3)具有良好的電子導(dǎo)電性,有利于電化學(xué)反應(yīng)過程中電荷的快速轉(zhuǎn)移,從而降低電池內(nèi)阻;(4)具有優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性,從而保證其使用壽命。目前國內(nèi)外學(xué)者已將很多材料用于堿性燃料電池陽極電催化劑,主要包括Pt基、Pd基、Au基及非貴金屬催化劑等。
AFC 陰極電催化劑的研究進(jìn)展
堿性燃料電池陰極主要為氧還原反應(yīng)(ORR),由于反應(yīng)中牽涉到 4 個(gè)電子的轉(zhuǎn)移步驟,還有 O-O 鍵的斷裂,易出現(xiàn)中間價(jià)態(tài)粒子,如 HO2-和中間價(jià)態(tài)含氧物種等問題,因此 AFC 中陰極的氧還原反應(yīng)是一個(gè)很復(fù)雜的過程。目前關(guān)于 ORR的真實(shí)反應(yīng)途徑尚不清楚,研究人員普遍認(rèn)為主要有以下兩種途徑:
(i) 直接四電子途徑:O2+ 2H2O + 4 e-→ 4OH-
(ii) 二電子途徑: O2+ H2O + 2e-→ HO2-+OH-
HO2- + H2O+ 2e-+→ 3OH-
從動(dòng)力學(xué)理論上說,堿性體系中的氧還原反應(yīng)(ORR)速率要比酸性體系中更快一些。正是由于堿性體系中ORR速率較酸性體系更快,使得大量的材料得以用作AFC陰極催化劑,主要包括Pt基、Pd基、Ag基及非貴金屬催化劑等。
催化劑的性能衰減機(jī)制
目前關(guān)于堿性體系中催化劑的性能衰減機(jī)制尚無相關(guān)研究,但是在PEMFC中關(guān)于Pt催化劑性能衰減機(jī)制方面,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作,目前研究人員普遍認(rèn)為,在PEMFC的工作環(huán)境下,Pt催化劑性能衰減的主要原因有:碳載體被腐蝕,導(dǎo)致Pt從載體上脫落;Pt顆粒的溶解-再沉積;Pt顆粒在碳載體表面的團(tuán)聚。
- 催化劑及助劑排行
- 最近發(fā)表