氢能

氢能之——燃料电池催化剂(上)

2020-07-27 10:09:59 大同日报

1 观点呈现氢燃料电池发展史(一)

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

燃料电池的发展已经有近200年的历史。1839年英国物理学家威廉·葛洛夫(Grove)发明了燃料电池,并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。因此,1939年被视为燃料电池诞生年,威廉·葛洛夫也被视为燃料电池之父。1889年,路德维希·德(Mond)等改进了葛洛夫的发明,利用浸有电解质的多孔非传导材料作为电池隔膜,以铂黑充为催化剂,通过钻孔的铂或金片为电流收集器组装出以氢和氧为燃料和氧化剂的燃料电池。

20世纪40年代,英国工程师弗朗西斯·托马斯·培根改用液体氢氧化钾为电解液,多孔镍作为电极,扩大了适用催化剂种类,这种设计给燃料电池实用化带来了曙光。20世纪50年代,美国通用电气公司发明了首个质子交换膜燃料电池。20世纪60年代,美国航空航天管理局(NASA)在阿波罗登月飞船上首次使用燃料电池作为主电源,燃料电池因此为人类的登月作出了卓越的贡献,阿波罗号使用的碱性燃料电池总重100kg,总功率1.5kW,电极面积约700平方厘米。

2 观点呈现氢燃料电池发展史(二)

从1968年到1972年,12次飞行任务内燃料电池没有出现任何事故。自此之后,燃料电池技术的研究引起各国重视,开始步入快速发展阶段。1993年,加拿大Ballard Power System公司推出世界上首辆以质子交换膜燃料电池为动力的车辆,燃料电池开始进军民用领域。20世纪90年代,燃料电池作为清洁、廉价、可再生的能源使用方式逐渐由实验室,融入到人类社会生活中。

燃料电被发明之后,起初主要应用于航空航天领域,随着技术的日渐成熟,目前逐步走向了民用。美国、日本、加拿大、欧洲及澳洲在燃料电池的研究和应用领域处于世界前列,我国从20世纪50年代,也开启了燃料电池的研究。

3 观点呈现氢能与燃料电池

燃料电池系统总的化学反应方程式,本质上是电化学反应,氢气在电能产生过程中没有参与燃烧反应。在阳极,它的反应方式是氢气在阳极通过催化剂的作用失去两个电子形成两个氢质子;在阴极,是空气中的氧气,和从阳极迁移过来的质子结合电子,生成水,它的总反应方程式是氢气加上氧气生成水。由此可见,氢燃料电池在工作过程当中,唯一的产物就是水,还有相当一部分的热量和电能。

燃料电池单电池由膜电极、双极板、密封件构成,膜电极包含气体扩散层、催化层和质子交换膜。其中,气体扩散层是膜电极的重要组成部分,起到支撑催化剂层的作用,也是反应气体和生成物水的通道。质子交换膜燃料电池的阴极和阳极的主要催化剂以铂和铂碳颗粒为主,质子交换膜往往具备较高的质子传导率、气体或燃料的渗透性低、水的电渗系数小、有较好的化学和电化学稳定性、良好的机械强度、较低的成本等特性。双极板的主要功能是分配电池中的燃料和氧化剂、分离电池组中的单电池、传导电流、传输生成水和湿气、冷却电池组等。


阳极气体扩散层主要用于氢气和水的传输;阳极催化层,主要是氢气在铂催化作用下发生氧化,产生质子;质子交换膜,是将阳极产生的质子传导至阴极;阴极催化层主要是氧气在铂催化作用下与质子结合,发生还原反应,生成产物水;在阴极气体扩散层,主要用于氧气和产物水的传输。

在小电流区域的动力学损失,主要由阳极和阴极反应的催化剂决定;中电流区域的欧姆损失,主要由膜传导质子的速率决定;大电流区域的传质损失,主要由质子和氧气的传输速率决定。


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