镁燃料电池的发展及应用

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1、镁燃料电池的发展及应用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(-2080C )及污染小等特点。作为一种高能化学电源，在可 移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源和备用电源等方面具有广阔 的应用前景。1 镁燃料电池的工作原理镁燃料电池(Magnesium fuel cell，又称 Magnesium semifuel 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。镁是非常活泼的金属， 在中性盐电解质中有很高的活性，适合用作中性盐电解液金属一空气电池的阳极材料。 阴极氧化剂可以利用空气或者是

2、过氧化氢。目前的研究主要是中性盐电解质镁-空气燃 料电池和镁-过氧化氢燃料电池系统。1.1 镁-空气燃料电池的工作原理kl l缺-常幽料电池l帖皿图fig.I Siinplillcd accmaticoImdgucjiliim-air IucL CLL表 中蛭盐电解演跌-空气熾料电池故电反应T爲ndRe action mech去nism of n eut刃 lectGlytfuml 石创1按 J 乂i世 A ncdc ic oicl ie n7 4-1一 Ml+ 工亡2.S/ VI5J 根尺 Caihcxlc rciicliKsnOt - 2 !H)- 4 c 4 OU 40.4( J V电池

3、反应 Whcjlc JEiixzt icmMi! - L门 6+H如-Mij-fOH),-2.77 X图1 为镁-空气燃料电池的示意图。中性盐条件下镁一空气燃料电池的放电反应机理如表1 所示。镁一空气电池以空气中的氧作为活性物质，在放电过程中，氧气在三相界面上被电 化学催化还原为氢氧根离子，同时金属镁阳极发生氧化反应。在放电过程中，镁阳极还 会与电解液发生自腐蚀反应，产生氢氧化镁和氢气。Mg-2 H,O t MgOHH,|因此降低了镁阳极的库仑效率，使得镁一空气电池性能降低，在实际应用中，开路 电压约为 16V 。1.2 镁一过氧化氢燃料电池的工作原理j1 KltiP A k图2镁-过氧化氢罐

4、料电池示意图F 迫立 SI inpl I lie d Ml win art ir oitupii&i i mn-liyd nogcn peroxide Inc I cell2中性盐电解质篠-过気化氢熾料电池的股电反应Tab. 2 Re action mechanism o-f neutral el &ctrolyte Mg-HsOsfuel cell阳扳良盘 A ncxic R2iilkrnM* 一 IVI占“峠丄c2.3WIff)扳反 i ?Jthcxlc actiontH)7- - TjO - 2c 3 -OU -+ (J.K!S V屯池d 周 * h-jk re：iKii*mMl - H

5、)7- LM) M- ； OH-W V表3中性盐电解质儀-过気化氢懼料电池的書生歴应T吕b. 3 Fgasiticgmction of n 色utgl Electolyte 时中HT6fugl cell仆牌反馥 Deco m posit io n reaction2 H昭 jjLi d Jcpo*ii ii o n re act i on- 2 i；:：)Hit：. 4 Re action mechanism of acid electrolyte- Mg-HsOs fuel cell阳楡反应 Anode rcactiGD、匸“=厂-2 c2.3 ; VP. I l-.iV Calhiode

6、rejclion1Mb - i H4 - 2 2斗 1.77 V电池反应 Whole rcaction- LJtllbjrbiU.FFLlLfLlVhlllif ZliHi ki II !23 电解质与添加剂与锌、铝相比，镁是最活泼的金属，在中性盐电解质中有很高的活性，当前镁燃料 电池主要是采用中性盐或海水作为电解液。一般工业镁合金用作电池阳极材料时，由于自腐蚀速度大、阳极利用率低，尤其是 阳极极化严重等原因，使得其工作电位难以满足盐水激活电池用负极材料的工程技术要 求。另外，反应腐蚀产物附着在镁合金阳极表面，阻止了电化学反应的进行，电池性能 降低。因此，一方面需要在电解液中添加氢抑制剂，以降

7、低过电势和自腐蚀性，减小自 腐蚀速度、提高镁合金阳极利用率，另一方面添加破坏镁的腐蚀产物膜结构的活化剂， 促进腐蚀产物的脱落、活化镁负极、提高电池性能。目前应用的氢抑制剂有锡酸盐、二 硫代缩二尿和季钱盐等单一抑制剂，或是几种成分构成的复合型抑制剂。对AZ31镁合 金阳极，采用季钱盐和锡酸盐的复合抑制剂可使阳极效率达到90%以上，比未添加抑制 剂时提高 13%，电池电压升高5%。但是，在需要长时间待命使用情况下，镁合金的自腐 蚀仍然很严重，不能满足要求。目前针对镁燃料电池的活化剂和抑制剂的作用机理研究 报道极少。4 镁燃料电池的应用早在60年代，美国GE公司就对中性盐镁燃料电池进行了研究。近年来

8、，由于科学 技术的进步，军事对高能电池的渴求，以及海洋资源开发的需要等，高性能镁燃料电池 成为人们研究的热点之一，并取得了较大进展。4.1 可移动电子设备电源随着社会进步与科技发展，笔记本电脑，移动电话，数码相机，摄像机等，高技术 产品迅速普及，使得人们对可移动电源的需求量日益增加。 Trimol 公司预测，未来几年 金属空气燃料电池将在手机、便携式摄像机和笔记本电脑市场占有一定的份额。由于镁 一空气燃料电池，采用中性盐电解液，避免了腐蚀性碱性溶液对身体的危害，因此，适 合应用于可移动电子装置民用电源。Freenvolt Power公司(GP)开发了镁/盐水/空气 (MASwFC)燃料电池，其

9、MAswFc技术有可能使电池缩小到适合便携电子设备应用的尺寸。4.2 自主式潜航器电源镁一过氧化氢燃料电池采用中性盐或海水电解质溶液，具有质量轻、环境友好，价 格便宜等优点，能够作为低功率、长寿命的无人水下运行器的高能量电源。美国海底战 事中心(Naval Undersea Warfare Center)与麻省大学(University ofMassachusetts oartmouth)以及BAE systems 公司共同研制成功了用于 自主式潜航器的镁一过氧化氢燃料电池系统(Au-tonomous underwa ter vehicles, AUVs)。该电池采用海水作电解质，镁合金作阳极

10、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。4.3 海洋水下仪器电源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。1996年，挪威与意大利共同开发了镁燃料电池，并且应用于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。这个电池系统电池为开放 结构，由六个两米高的海水电池组成，放置在一个耐腐蚀和耐高压的不锈钢结构壳体中， 能量达到650 kwh,系统

11、设计寿命为15a。4.4 备用电源镁一空气燃料电池可作为医院、学校备用电源、应急电源等，在备用时，可以干态 长时间搁置，需要时，加人电解液即可应用。目前，加拿大Greenvolt Power公司(GP) 研制出100wW和300W级的镁/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的功率，成功应用于偏远地 区水净化系统水泵的供电。5 结束语镁燃料电池作为一种环境友好的高性能电源，特别是中性盐或海水电解质镁燃料电 池系统，有着优良的性能价格比。近年来通过开发各种新型的镁合金阳极、阴极电催化 剂和电解质添加剂以及优化阴极结构，镁燃料电池的研究取得了突破性的进展，在可移 动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源和备用电源等方面，具有非常 广阔的应用前景。来源：中国燃料电池网相关文章