镁燃料电池.doc

镁燃料电池的研究进展 摘要：镁燃料电池具有高比能量、安全和成本低等特点，在军事和民用方面有良好的应用前景。综述了各种镁燃料电池系统的工作原理，概括了近年来在镁阳极、阴极电催化剂与结构、电解质添加剂等方面的研究与进展。 关键词：镁燃料电池；镁阳极；阴极；添加剂 （1. Meilin chemical factory, Zunyi Guizhou 563003, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, China） Abstract: Magnesium fuel cell has a favorable application potential in military and civilian fields because of its high energy density, safety and low cost. The working mechanisms of several kinds of magnesium fuel cell systems were summarized. In addition, the research progress on magnesium anode, electrocatalyst and structure of cathode, electrolyte additive were also discussed. Key words: magnesium fuel cell; magnesium anode; cathode; additive 1 引言 镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运、可使用温度范围宽(–20℃~80℃)及污染小等特点[1]。作为一种高能化学电源，拥有良好的应用前景，因此很多研究学者与单位对其进行了研究。早在20世纪60年代，美国GE公司就对中性盐镁燃料电池进行了研究[2]。随后美国海军海底战事中心(Naval Undersea Warfare Center)与麻省理工大学(University of Massa-chusetts Dartmouth)以及BAE Systems公司共同研制成功了用于自主式潜航器的镁-过氧化氢燃料电池系统[3]。该电池采用海水作电解质，镁合金作阳极材料，液态过氧化氢作阴极氧化剂。该电池提供了一个成本较低并且更为安全的高能动力，是低速率、长寿命的自主式潜航器的理想驱动电源。20世纪90年代初，Westinghouse公司研制出了海洋应用的圆柱型海水电解质镁/空气燃料电池[4]。1996年，挪威与意大利共同开发了镁燃料电池，并应用于180m深的海底油井或气井探测的海洋水下自动控制系统。该海水电池采用商业镁合金作阳极，海水作电解质，海水中溶解的氧为氧化剂，阴极用碳纤维制造。这个电池系统能量达到650kWh，系统设计寿命为15年[5]。加拿大Greenvolt Power公司研制的100W和300W级镁/盐水/空气燃料电池(MASWFC)，能量密度是铅酸电池的20倍以上，可为电视、照明灯、便携电脑、手机及GPS等设备供电。加拿大Magpower Systems公司研制的盐水电解质镁/空气燃料电池，能连续提供300W功率，成功应用于偏远地区水净化系统水泵的供电[6]。Medeiros等研究了Mg-H2O2半燃料电池，电池的阳极为镁合金AZ61，导离子膜是Nafion-115，阴极为垂自植入到碳纸上的碳纤维担载的Pd-Ir，阳极电解液为海水，阴极电解液为海水 硫酸 过氧化氢，单电池在连续30 h的放电期间内，在25mA/cm2的电流密度下，电池电压稳定在1.77V~1.8 V之间。根据消耗的镁，过氧化氢和硫酸的质量计算出来电池的比能量达500~520Wh/kg[7]。 然而，镁燃料电池总体上存在着三大缺陷[1, 6, 8]：(1)容量损失大，(2)负极利用率低，(3)电压损耗大。其中，容量损失大和负极利用率低主要是由于镁的自腐蚀引起的，而镁的负差效应将进一步加剧镁的自腐蚀，因此，很多学者通过制备镁合金和运用电解液添加剂两种途径来降低镁的自腐蚀，提高电池容量和负极利用率。而电压损耗大则受镁及镁合金放电产物和正极活性物质的影响，可通过运用电解液添加剂和制备新型催化剂来解决。 本文将镁燃料电池的研究进展分为工作原理、电极的研究和电解液添加剂三部分进行阐述。 2 镁燃料电池的工作原理 镁燃料电池(Magnesium fuel cell，又称Magnesium semi-fuel cell)主要由镁合金阳极，中性盐电解质和空气(氧气或其它氧化剂)阴极三部分组成。镁及镁合金是非常活泼的金属，适合用作阳极材料。