第3章FC原理2——燃料电池报告.ppt

7 燃料电池表征方法 目的：判断燃料电池的差别性能 查明燃料电池性能差别的原因 1）催化剂的表征方法 透射电镜方法 X射线衍射方法 电化学循环伏安法 CO溶出伏安法 2）燃料电池测试系统 稳态测试 暂态测试 启动测试 2）燃料电池各种损失的表征方法 极化曲线 控制电压 电流响应曲线 控制电流 电压响应曲线 电化学阻抗 电流阻断法 应考虑反应物在催化剂上形成的吸附键强度应适中。吸附键强度太弱，不但催化剂吸附反应物太少，且也难以活化反应物分子；反之，若吸附键强度太强，则其转化的中间物或产物难以脱附，会阻滞反应的进一步进行。 电催化剂简介 贵金属催化剂：铂钌钯等铂族和银镍等贵金属，由于具有良好的催化活性、导电性和抗腐蚀能力，是首选的各种低温FC的电催化剂。 铂是首选的低温FC催化剂，对氢的氧化，其交换电流密度可达0.1~100mA/cm2。用其作电催化剂的多孔气体扩散电极，当其工作电流密度达到几百mA/cm2时，极化仅有1~20mv，接近可逆电极。而将其用作氧的还原时，交换电流密度最高为几个?A/cm2，在室温时交换电流密度可低到10-10A/cm2。 因此，氧电极是典型的不可逆电极。 因此，氢氧燃料电池，其极化主要产生在氧电极和电解质产生的欧姆极化上。 抗CO中毒的贵金属合金电催化剂 当以烃类或醇类重整气为燃料时，产生的富氢气体一般都含有百分之几的体积分数的CO。由于CO极易在铂电极上吸附，生产很强的吸附键，在氢电极工作电压下又不易氧化，它几乎占据了全部铂活性中心，导致铂Pt或铂碳（Pt/C)电催化剂中毒，极大地增加了氢极的极化。 减少CO中毒影响的方法之一就是提高FC的工作温度。 对PAFC的实验表明，当FC工作温度高于135~1500C时，由于升温导致CO吸附键减弱，CO中毒逐步减弱。 但对于PEMFC，由于工作温度在1000C以下，仅十万分之几的CO即会导致Pt或Pt/C催化剂的严重中毒。 目前主要是用双贵金属Pt/Ru 或Pt-Ru/C来作抗CO中毒的催化剂。 目前，PEMFC正处在商业化的前夕。而以重整气为燃料是必然选择之一。 直接甲醇FC也已取得进展。研究的重点是寻找高活性的甲醇阳极氧化催化剂。在甲醇氧化过程中，会产生CO中间物，导致Pt类催化剂中毒。 研制抗CO中毒的催化剂，已成为电催化剂研究的热点和具有很大挑战性的课题。 电解质 电解质的要求： 1）稳定，在FC工作条件下不发生氧化和还原反应； 2）具有较高的离子电导，以降低欧姆极化； 3）阴离子不在电催化剂上产生强特殊吸附，防止覆盖电催化剂的活化中心，影响氧还原动力学； 4）对反应剂（如H2，O2等）有高的溶解度； 5）对用PTFE等防水剂制备的多孔气体扩散电极，电解质不能浸润PTFE，以免降低PTFE等防水剂的憎水性，阻滞反应气在电极憎水孔的气相扩散传质过程。 常用电解质： KOH是AFC的电解质，它的水溶液已在AFC中得到了广泛应用； 浓磷酸是PAFC的电解质； 全氟磺酸膜是PEMFC的电解质，也是FC研究的焦点之一； 固体电解质 质子交换膜和固体氧化物氧离子导体膜已被成功应用到FC作为电解质隔膜，它可以有效减小殴姆极化和提高分隔燃料与氧化剂的性能。 1）质子交换膜：60年代首先由通用电器（GE）公司采用聚苯乙烯磺酸膜作电解质隔膜，所研制的KW级PEMFC成功应用到载人双子星飞行器。但在工作条件下，主要由于氧还原产生过氧化氢的氧化作用，聚苯乙烯磺酸膜发生降解，导致电池寿命缩短。 1962年杜邦公司制成全氟磺酸型质子交换膜，64年用于氯碱工业，66年首次用于H2-O2 FC，从而为研制长寿命和高功率的PEMFC提供了最关键的材料。膜很薄，电阻小，至今已有用10~20 ?m膜进行实验研究的报道。 目前，主要有杜邦公司Nafion和Dow膜。 固体氧化物电解质 它可分为莹石结构的固体氧化物电解质，如Y2O3和CaO稳定的ZrO2。 另一种是近年才有突破的钙钛矿结构的电解质，如锶镁搀杂的镓酸镧（LaGaO3）。 ZrO2是目前应用最广的，已有5?m，20?m厚的ZrO2，输出功率密度高达2w/cm2。 双极板和流场 双极板的功能与要求：隔膜型FC已成为FC的主流。绝大多数是采用按压滤机方式组装的。 起集流、分隔氧化剂与还原剂，并引导其在电池内电极表面流动的导电隔板通称为双极板。 功能与要求： 1）应具有阻气功能，不能采用多孔透气材料制备； 2）具有集流作用，应是电的良导体； 3）热的良导体； 4）抗腐蚀能力，电解质多为酸或碱，双极板材料在工作温度范围内，同时具有在氧化介质和还原介质两种条