碱性燃料电池分析ppt课件

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1、碱性燃料电池碱性燃料电池Alkaline Fuel Cells(AFC)碱性燃料电池Alkaline Fuel Cells(A一一.概述概述碱碱性性燃燃料料电电池池(AFC)是是燃燃料料电电池池系系统统中中最最早早开开发发并并获得成功应用的一种。获得成功应用的一种。美美国国阿阿波波罗罗登登月月宇宇宙宙飞飞船船及及航航天天飞飞机机上上即即采采用用碱碱性燃料电池作为动力电源。性燃料电池作为动力电源。实实际际飞飞行行结结果果表表明明，AFC作作为为宇宇宙宙探探测测飞飞行行等等特特殊用途的动力电源已经达到了实用化阶段。殊用途的动力电源已经达到了实用化阶段。一.概述在过去相当长的一段时期内，在过去相当长

2、的一段时期内，AFC系统的研究系统的研究范围涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池范围涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材料与电性能等。结构、材料与电性能等。根根据据电电池池工工作作温温度度不不同同，AFC系系统统可可分分为为中中温温型与低温型两种。型与低温型两种。前前者者以以培培根根中中温温燃燃料料电电池池为为代代表表，它它由由英英国国培培根根(FTBacon)研研制制，工工作作温温度度约约为为523K，阿阿波波罗罗登登月月飞飞船船上上使使用用的的AFC系系统统就就属属于于这这一一类型。类型。在过去相当长的一段时期内，AFC系统的研究范围涉及不同温度、低低温温型型APC系系统统的的工工

3、作作温温度度低低于于373K，是是现现在在AFC系统研究与开发的重点。系统研究与开发的重点。其其应应用用目目标标是是便便携携式式电电源源及及交交通通工工具具用用动动力力电源。电源。低温型APC系统的工作温度低于373K，是现在AFC系统研究在在燃燃料料电电池池系系统统中中采采用用液液体体燃燃料料是是吸吸引引各各种种商商业业用用户的有效途径之一。户的有效途径之一。因因为为液液体体燃燃料料储储运运方方便便，易易处处置置。曾曾经经考考虑虑用用作作AFC系系统统的的液液体体燃燃料料有有阱阱（N2H4）、液液氨氨、甲甲醇醇和烃类。和烃类。由由于于AFC系系统统通通常常以以KOH溶溶液液作作为为电电解解质

4、质，KOH与与某某些些燃燃料料可可能能产产生生的的化化学学反反应应使使得得AFC几几乎乎不不能能使用液体燃料。使用液体燃料。在燃料电池系统中采用液体燃料是吸引各种商业用户的有效途径之一液液体体燃燃料料在在进进入入AFC电电池池堆堆之之前前必必须须进进行行预预处处理理。阱阱（N2H4）在在AFC阳阳极极上上易易分分解解成成氢氢气气和和氯氯气气，其其电极反应可能是：电极反应可能是：实实验验结结果果表表明明，以以阱阱为为燃燃料料的的AFC电电性性能能与与氢氢氧氧AFC电性能差不多相等。电性能差不多相等。有有人人认认为为这这两两种种燃燃料料的的电电化化学学过过程程实实际际上上是是相相同同的，阱仅仅起到

5、氢气源的作用。的，阱仅仅起到氢气源的作用。液体燃料在进入AFC电池堆之前必须进行预处理。阱（N2H4）阱阱在在AFC阳阳极极表表面面分分解解的的同同时时还还可可能能产产生生对对电电极极性性能有害的能有害的氨氨。在在阱阱电电池池中中，电电解解液液是是连连续续循循环环的的，并并在在循循环环过过程程中中添添加加水水合合阱阱使使浓浓度度大大体体上上维维持持恒恒定定，这这种种循循环环也也有助于除去电池工作中产生的氮气。有助于除去电池工作中产生的氮气。排排出出的的氮氮气气中中会会带带一一些些阱阱蒸蒸汽汽，由由于于阱阱有有毒毒且且易易爆爆，故故须须使使废废气气通通过过乙乙醛醛或或硫硫酸酸以以除除去去其其中中

6、的的阱阱。电电池池反应产生的水也大部分随氮气一起排出。反应产生的水也大部分随氮气一起排出。阱在AFC阳极表面分解的同时还可能产生对电极性能有害的氨。电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或H2O2等。等。若若以以空空气气代代替替纯纯氧氧，会会大大大大增增加加排排出出气气体体中中氮氮气的流量，使电池输出功率显著降低。气的流量，使电池输出功率显著降低。电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或H2O2等。在在五五六六十十年年代代，阱阱-空空气气燃燃料料电电池池曾曾作作为为军军用用电电源大力开发。源大力开发。这这种种电电池池最最主主要要的的缺缺点点是是阱阱具具有有极极高高毒毒性性、价价格格昂

7、昂贵贵。而而且且，这这种种电电池池系系统统需需要要大大量量辅辅助助设设备备，这这不不仅仅需需要要消消耗耗电电池池所所产产生生功功率率中中的的相相当当大大一一部部分分，而而且且在在电电池池正正常常工工作作前前必必须须启启动动这这些辅助设备。些辅助设备。因因此此，尽尽管管在在理理论论上上阱阱氧氧化化产产生生的的能能量量比比大大多多数数其其他他燃燃料料要要大大得得多多，但但阱阱电电池池在在商商业业上上似似乎乎不大可能有什么重要用途。不大可能有什么重要用途。在五六十年代，阱-空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。到了到了70年代，阱年代，阱-空气燃料电池基本上停止了研究。空气燃料电池基本上停止了研究。除

8、了阱除了阱-空气燃料电池，曾研究过的空气燃料电池，曾研究过的AFC系统还有氨系统还有氨-空空气燃料电池。气燃料电池。从长远的眼光来看，阱、液氨作为从长远的眼光来看，阱、液氨作为AFC的燃料是不可的燃料是不可行的。目前，最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。行的。目前，最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。下面主要讨论以氢、烃为燃料的下面主要讨论以氢、烃为燃料的AFC系统。系统。到了70年代，阱-空气燃料电池基本上停止了研究。二二.原理与特点原理与特点1.AFC的的原原理理：AFC采采用用有有限限电电解解质质溶溶液液的的措措施施来来维维持持稳稳定定的的三三相相界界面面。通通常常，电电解解质质采采用用30

9、一一45的的KOH溶液。溶液。与与PAFC不不同同的的是是，在在电电解解质质内内部部传传输输的的离离子子导导体体为为OH-，由由于于阳阳、阴阴极极的的电电极极反反应应不不同同，所所以以在在阳阳极一侧生成水。极一侧生成水。下图为下图为AFC的基本工作原理图。的基本工作原理图。二.原理与特点碱性燃料电池分析ppt课件以氢氧燃料电池为例，碱性燃料电池电极反应为以氢氧燃料电池为例，碱性燃料电池电极反应为:以氢氧燃料电池为例，碱性燃料电池电极反应为:阳阳极极侧侧生生成成的的水水必必须须及及时时排排除除，以以免免将将电电解解质质溶溶液液稀稀释释或或淹淹没没多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极。由由于于阴阴极极

10、(氧氧电电极极)的的极极化化损损失失要要比比PAFC等等酸酸性性电电解质电池小，因而可以获得很高的电流效率。解质电池小，因而可以获得很高的电流效率。AFC的的工工作作温温度度一一般般维维持持在在333353K，当当工工作作温温度度低低于于288K时时，电电池池性性能能明明显显下下降降。电池的工作压力维持在电池的工作压力维持在0.40.5MPa。阳极侧生成的水必须及时排除，以免将电解质溶液稀释或淹没多孔气2.特点特点由由于于AFC的的工工作作温温度度在在373K以以下下，电电池池本本体体结结构构材材料料选选择择广广泛泛，可可以以使使用用低低廉廉的的耐耐碱碱塑塑料料。这这些些材料可用注塑成型工艺，

11、使电池造价降低。材料可用注塑成型工艺，使电池造价降低。从从耐耐电电解解液液性性能能方方面面来来看看，可可以以不不用用贵贵金金属属铂铂系系催催化化剂剂。例例如如，阳阳极极可可采采用用镍镍系系催催化化剂剂，既既降降低低成本又能获得机械强度高的结构。成本又能获得机械强度高的结构。阴极可采用银系催化剂。阴极可采用银系催化剂。2.特点AFC在在室室温温下下操操作作，瞬瞬间间便便能能输输出出部部分分负负荷荷，5分钟内便可达到额定负荷。分钟内便可达到额定负荷。低温下氧还原时，电极极化损失小。低温下氧还原时，电极极化损失小。AFC在室温下操作，瞬间便能输出部分负荷，5分钟内便可达到额采采用用KOH等等碱碱性性

12、溶溶液液作作电电解解质质的的不不利利之之处处是是，电电池池对对燃燃料料气气中中CO2十十分分敏敏感感，一一旦旦电电解解液液与与含含CO2的的气气流流接接触触，电电解解液液中中会会生生成成碳碳酸酸根根离离子子，若若含含量超过量超过30，电池输出功率将急剧下降。，电池输出功率将急剧下降。因因此此，对对含含碳碳燃燃料料AFC系系统统中中应应配配CO2脱脱除除装装置置。另另外外，为为了了保保持持电电解解质质浓浓度度需需进进行行适适当当控控制制，导导致系统复杂化。致系统复杂化。采用KOH等碱性溶液作电解质的不利之处是，电池对燃料气中CO由由于于AFC工工作作温温度度低低，电电池池冷冷却却装装置置中中冷冷

13、却却剂剂进进出出口口温温差差小小，冷冷却却装装置置需需有有较较大大体体积积，废废热热利用也受到限制。利用也受到限制。由于AFC工作温度低，电池冷却装置中冷却剂进出口温差小，冷却3 电池系统基本构成电池系统基本构成1）电池结构）电池结构 电电池池结结构构大大致致分分为为使使电电解解液液保保持持在在多多孔孔质质基基体体中中的基体型和自由电解液型。的基体型和自由电解液型。基基体体型型AFC具具有有调调节节增增减减电电解解液液用用量量的的储储液液部部件件，装有冷却板并构成叠层结构。装有冷却板并构成叠层结构。典典型型的的电电解解液液保保持持体体材材料料有有石石棉棉膜膜。早早期期的的AFC系系统统多多采采

14、用用饱饱吸吸KOH溶溶液液的的石石棉棉膜膜作作电电解解质质隔隔膜膜，由由美美国国爱爱立立斯斯查查默默尔尔斯斯(A11isChalmers)公公司司率率先先研制，并已应用于航天飞机的燃料电池中。研制，并已应用于航天飞机的燃料电池中。3 电池系统基本构成 石棉膜在石棉膜在KOH溶液中有一定程度的侵蚀。溶液中有一定程度的侵蚀。下图为静态排水的氢氧隔膜型碱性燃料电池单体示意图下图为静态排水的氢氧隔膜型碱性燃料电池单体示意图。静态排水的氢氧隔膜型燃料电池静态排水的氢氧隔膜型燃料电池单体示意图单体示意图 石棉膜在KOH溶液中有一定程度的侵蚀。静态排水的氢氧隔膜型 自自由由电电解解液液型型AFC系系统统是是

15、近近年年来来着着重重研研究究的的电电池池类类型型。该该系系统统内内设设电电解解液液循循环环系系统统，可可以以在在电电池池外外部部冷冷却却电电解解液液和和蒸蒸发发水水分分，而而且且既既容容易易适适应应液液体体体体积积变变化化，也也容容易易进进行行电电解解液液交交换换。自自由由电电解解液液型型AFC单单电电池池结结构构如图所示。如图所示。碱性燃料电池结构示意碱性燃料电池结构示意图（自由电解质型图（自由电解质型)自由电解液型AFC系统是近年来着重研究的电池类型。该系统内将将电电极极以以电电解解液液保保持持室室隔隔板板的的形形式式粘粘结结在在塑塑料料制制成成的的电电池池框框架架上上，然然后后再再加加上

16、上镍镍制制隔隔板板即即构构成成单单电池。电池。气气体体及及电电解解液液通通道道的的密密封封材材料料采采用用橡橡胶胶垫垫圈圈。采采用用氢氢气气循循环环法法除除水水时时，氢氢电电极极背背面面的的多多孔孔镍镍制制隔隔板板起起到到电电解解液液贮贮存存槽槽的的作作用用，以以调调节节由由于于温温度度及及浓浓度度变变化化而而引引起起的的电电解解质质溶溶液液的的体体积积变变化化。为为了了达达到到实实用用电电压压，可可像像板板框框压压滤滤机机那那样样将将多多个个单单电电池串联成电池准。池串联成电池准。有有时时，还还需需要要在在两两个个单单电电池池间间设设置置一一块块冷冷却却板板，在冷却板内通冷却剂除热。在冷却板

17、内通冷却剂除热。将电极以电解液保持室隔板的形式粘结在塑料制成的电池框架上，然2 电极与催化剂电极与催化剂 电电极极的的结结构构形形式式及及其其制制备备方方法法与与选选用用的的电电极极催催化化剂剂密密切切相相关关。与与PAFC不不同同，AFC不不仅仅可可采采用用贵贵金金属属催催化化剂剂，也也可可选选用用非非贵贵金金属属催催化化剂剂。对对于于贵贵金金属属催催化化剂剂，铂铂或或铂铂合合金金等等以以颗颗粒粒状状形形式式沉沉积积于于碳碳载载体体上上或或作作为为镍镍基基金金属属电电极极的的一一部部分分。对对于于非非贵贵金金属属催催化化剂剂，常常采采用用朗朗尼尼(Raney)镍镍粉粉末末作作阳阳极极催催化化

18、剂剂，而而阴极催化剂为银基催化剂粉末。阴极催化剂为银基催化剂粉末。朗朗尼尼电电极极不不一一定定局局限限于于镍镍，可可以以是是朗朗尼尼银银、朗朗尼尼铜铜等金属电极。等金属电极。2 电极与催化剂对于对于AFC电极的共同要求是：电极的共同要求是：较好的导电特性，以便减少欧姆损失；较好的导电特性，以便减少欧姆损失；足够的机械强度与合适的孔隙率；足够的机械强度与合适的孔隙率；在碱性电解质环境中具有一定的化学催化活性；在碱性电解质环境中具有一定的化学催化活性；在较长时间内保持电化学催化活性。在较长时间内保持电化学催化活性。电电极极的的另另一一重重要要特特征征是是憎憎水水性性或或亲亲水水性性，它它对对电电极

19、寿命十分重要。极寿命十分重要。金金属属电电极极属属于于亲亲水水性性电电极极，主主要要用用于于空空间间应应用用的的AFC系统。系统。对于AFC电极的共同要求是：憎水性电极是针对地面应用的憎水性电极是针对地面应用的AFC系统研制的。系统研制的。憎憎水水性性电电极极为为炭炭基基电电极极，电电极极内内含含疏疏水水性性聚聚四四氟氟乙烯乙烯(PTFE)。使使含含PTFE的的催催化化层层具具有有适适当当结结构构，维维持持一一定定的的憎水性，有利于延长憎水性电极的寿命。憎水性，有利于延长憎水性电极的寿命。憎水性电极是针对地面应用的AFC系统研制的。一一般般的的AFC电电极极由由几几层层具具有有不不同同孔孔隙隙

20、率率的的材材料料层层组组成成，在在液液相相侧侧为为薄薄层层催催化化剂剂，气气相相侧侧为为憎憎水水层层。这这种种多多层层结结构构形形式式，便便于于液液体体电电解解质质和和反反应应气气体体在在电电极内部建立互不干扰的流动。极内部建立互不干扰的流动。可可采采用用不不同同方方法法制制备备其其中中的的某某一一层层，制制备备方方法法包包括括沉积法、高温烧结法或喷涂技术等。沉积法、高温烧结法或喷涂技术等。整个电极的发展趋向薄型化。整个电极的发展趋向薄型化。憎憎水水性性电电极极有有固固定定反反应应层层电电极极、粘粘结结式式双双层层薄薄电电极极、E型电极及炭纸电极等，具体制备过程可参考文献。型电极及炭纸电极等，

21、具体制备过程可参考文献。一般的AFC电极由几层具有不同孔隙率的材料层组成，在液相侧为与与其其他他化化学学电电源源一一样样，燃燃料料电电池池电电极极结结构构的的均均质质性性与与电电极极再再生生性性能能是是电电池池保保持持良良好好性性能能与与长长寿寿命命的关键。的关键。这这意意味味着着无无论论是是实实验验室室阶阶段段还还是是批批量量生生产产阶阶段段，对对于于每每个个电电极极的的生生产产必必须须进进行行严严格格的的质质量量控控制制与与检测。检测。与其他化学电源一样，燃料电池电极结构的均质性与电极再生性能是3 电池的排水与排热电池的排水与排热由由单单电电池池构构成成的的电电池池堆堆要要达达到到稳稳定定

22、、连连续续运运行行，必必须须解解决决气气流流分分布布问问题题，确确保保每每个个单单电电池池均均能能获得充足的燃料与氧化剂。获得充足的燃料与氧化剂。与与此此同同时时，还还应应正正确确解解决决电电池池的的排排水水问问题题，即即将将电电池池堆堆电电化化学学反反应应生生成成水水迅迅速速地地排排出出电电池池堆堆，且且尽尽量量保保证证每每个个单单电电池池能能在在比比较较一一致致的的电电解解液液浓度下工作。浓度下工作。3 电池的排水与排热1）电池的排水电池的排水 对对于于碱碱性性燃燃料料电电池池，常常用用排排水水方方法法有有动动态态排排水水与与静态排水两种。静态排水两种。(1)动动态态排排水水：动动态态排排

23、水水法法又又称称氢氢循循环环排排水水法法。其其原原理理是是用用泵泵循循环环氢氢气气，将将水水蒸蒸气气带带出出电电池池，然然后后在冷凝器中将水蒸气冷疑，回收氢气。在冷凝器中将水蒸气冷疑，回收氢气。由由于于水水蒸蒸气气的的气气相相扩扩散散和和蒸蒸发发与与冷冷凝凝速速度度均均较较快快，因因此此，排排水水速速度度由由氢氢循循环环量量、电电堆堆工工作作温温度度和和冷冷凝器工作温度确定。凝器工作温度确定。1）电池的排水 (2)静态排水：静态排水：原原理理是是在在氢氢气气腔腔背背面面加加一一块块饱饱吸吸KOH的的排排水水膜膜(该该膜膜内内吸吸饱饱的的KOH电电解解液液浓浓度度比比电电解解质质隔隔膜膜内内的的

24、要要浓浓一一些些膜膜的的另另一一侧侧是是水水腔腔)，在在多多孔孔阳阳极极内内部部电电化化学学反反应应生生成成的的水水汽汽化化，靠靠浓浓差差迁迁移移至至排排水水膜膜燃燃料料腔腔一一侧侧并并冷冷凝凝，然然后后靠靠浓浓差差迁迁移移通通过过排排水水膜膜，在在排排水水膜膜水水腔腔侧侧减减压压蒸蒸发发，借借压压差差进进入入冷冷凝凝器冷凝、回收。器冷凝、回收。(2)静态排水：与与动动态态排排水水一一样样，因因水水的的蒸蒸发发、冷冷凝凝与与气气相相扩扩散散速速度度均均较较快快，所所以以整整个个排排水水速速度度由由水水在在排排水水膜内迁移速度决定。膜内迁移速度决定。与动态排水一样，因水的蒸发、冷凝与气相扩散速度

25、均较快，所以整静静态态排排水水控控制制条条件件比比动动态态排排水水少少，而而且且不不受受气气流流分分布布影影响响，没没有有运运动动部部件件。但但它它要要在在电电池池堆堆内内增增加加一一个个水水腔腔与与一一块块排排水水膜膜，不不仅仅制制作作工工艺艺复杂，而且必然增加电堆重量。复杂，而且必然增加电堆重量。因此，要根据具体应用条件来选取排水方法。因此，要根据具体应用条件来选取排水方法。对对于于航航天天用用的的AFC系系统统，因因有有宇宇宙宙这这一一巨巨大大真真空源，采用静态排水法可能比较有利。空源，采用静态排水法可能比较有利。静态排水控制条件比动态排水少，而且不受气流分布影响，没有运动2排热排热 碱

26、碱性性燃燃料料电电池池在在放放电电过过程程中中有有热热量量产产生生，为为了了使使电电池池工工作作温温度度维维持持在在一一定定范范围围内内，必必须须排排除除多多余余的反应热。的反应热。排排热热过过程程通通常常与与排排水水过过程程相相结结合合，特特别别是是在在动动态态排排水水时时，可可借借助助气气体体或或电电解解质质循循环环而而将将电电池池余余热热带出电池堆。带出电池堆。排热 电电解解质质溶溶液液循循环环排排热热是是利利用用泵泵将将电电解解液液泵泵出出电电池池堆堆，使使电电解解液液通通过过热热交交换换器器，电电解解液液与与冷冷却却剂剂进进行行热热交交换后再与新鲜电解液混合后进入电池堆循环使用。换后

27、再与新鲜电解液混合后进入电池堆循环使用。在在AFC电电池池堆堆中中，每每隔隔几几个个单单电电池池就就要要设设置置一一冷冷却却循环构成排热系统。循环构成排热系统。一般的氢一般的氢-氧燃料电池均采用此排热方式。氧燃料电池均采用此排热方式。然然而而，对对于于氢氢-空空气气燃燃料料电电池池，可可采采用用空空气气循循环环与与电电解质循环两种排热方式。解质循环两种排热方式。电解质溶液循环排热是利用泵将电解液泵出电池堆，使电解4 电池运行特性电池运行特性 燃料电池系统的电化学特性可用比能量来判别。燃料电池系统的电化学特性可用比能量来判别。电电池池比比能能量量的的物物理理意意义义是是电电池池单单位位质质量量或

28、或单单位位体体积积所所能能输出的电能。输出的电能。它有两种表达方式它有两种表达方式:质量比能量，以单位质量电池输出的功率质量比能量，以单位质量电池输出的功率(kw/kg)表示；表示；体积比能量，以单位体积电池输出的功率体积比能量，以单位体积电池输出的功率(kw/L)表示。表示。4 电池运行特性比比能能量量的的大大小小与与电电池池堆堆及及其其辅辅助助设设备备的的质质量量或或体积有关。体积有关。电电池池堆堆对对比比能能量量的的贡贡献献与与电电池池工工作作电电流流密密度度、输出电压直接相关。输出电压直接相关。比能量的大小与电池堆及其辅助设备的质量或体积有关。电池运行寿命是电池性能的另一重要指标。电池

29、运行寿命是电池性能的另一重要指标。在在不不同同的的应应用用场场合合，对对AFC系系统统的的使使用用寿寿命命要要求求不不尽尽相同。相同。在在某某些些特特殊殊场场合合，如如航航天天飞飞机机和和火火箭箭系系统统，AFC运运行行寿命达到寿命达到5000h甚至仅有甚至仅有1000h已经足够；已经足够；而而对对于于另另一一些些场场合合，如如便便携携式式电电源源及及汽汽车车电电源源等等，要要求求AFC运行寿命在运行寿命在2.5万万h以上；以上；对对于于电电站站系系统统中中的的AFC电电池池堆堆，其其运运行行寿寿命命应应在在4万万h以上。以上。电池运行寿命是电池性能的另一重要指标。AFC电电池池堆堆的的性性能

30、能及及其其稳稳定定性性受受诸诸如如电电极极组组成成(电电催催化化剂剂负负载载量量)、氧氧化化剂剂(O2或或空空气气)、工工作作温温度度、工工作作压压力力及及电电解解液液中中KOH浓浓度度等等因因素素影影响。响。有关电极与催化剂的作用已在前面讲述过。有关电极与催化剂的作用已在前面讲述过。这这里里，仅仅就就氧氧化化剂剂、工工作作温温度度与与工工作作压压力力对对电电池运行特性的影响作简单描述。池运行特性的影响作简单描述。AFC电池堆的性能及其稳定性受诸如电极组成(电催化剂负载量)1）氧化剂对）氧化剂对AFC运行特性的影响运行特性的影响 碱性燃料电池可采用碱性燃料电池可采用O2或空气作氧化剂。或空气作

31、氧化剂。美美国国国国际际燃燃料料电电池池公公司司(IFC)与与德德国国Siemens主主要要研研究碱性究碱性H2-O2燃料电池。燃料电池。而而Elenco研究的研究的AFC系统则多采用空气作氧化剂。系统则多采用空气作氧化剂。后后者者研研制制的的碱碱性性H2-空空气气燃燃料料电电池池同同时时可可用用O2作作氧氧化剂。化剂。1）氧化剂对AFC运行特性的影响据据报报道道，E1enco公公司司的的碱碱性性H2-空空气气燃燃料料电电池池若若改改用用O2作作氧氧化化剂剂，在在相相同同操操作作条条件件下下，电电池池堆堆电电流流密密度度(输出电压不变输出电压不变)可增加约可增加约50。相相反反，若若将将空空气

32、气直直接接用用于于碱碱性性H2-O2燃燃料料电电池池系系统统则会遇到很多麻烦。则会遇到很多麻烦。究究其其原原因因是是H2-O2燃燃料料电电池池中中的的电电极极无无法法适适应应空空气气中中存存在在的的N2，且且对对于于空空气气中中杂杂质质，特特别别是是CO2更更加加敏感。敏感。据报道，E1enco公司的碱性H2-空气燃料电池若改用O2作在在AFC系系统统中中究究竟竟采采用用O2还还是是空空气气作作氧氧化化剂剂，要要视视其具体用途而定。其具体用途而定。对对于于航航天天与与国国防防(潜潜艇艇)方方面面应应用用的的AFC系系统统，O2是是唯一的选择。唯一的选择。而而作作为为商商业业应应用用的的AFC系

33、系统统，如如电电动动汽汽车车动动力力电电源源、小小型型燃燃料料日日池池电电站站等等，基基于于安安全全性性与与价价格格等等因因素素，采用空气作氧化剂比较合适。采用空气作氧化剂比较合适。在AFC系统中究竟采用O2还是空气作氧化剂，要视其具体用途而2）工作温度对）工作温度对AFC运行持性的影响运行持性的影响由由于于低低温温条条件件下下的的KOH溶溶液液就就具具有有良良好好的的离离子子导导电电率率，因因此此，AFC电电堆堆在在常常温温下下工工作作时时的的输输出出功率就能达到额定工作温度功率就能达到额定工作温度(约约343K)时的一半。时的一半。当当电电池池工工作作温温度度由由室室温温升升至至323-3

34、33K时时，电电池池输输出功率随工作温度增加而呈线性增大。出功率随工作温度增加而呈线性增大。若若进进一一步步提提高高电电油油工工作作温温度度，电电解解质质中中KOH浓浓度的影响因素必须加以考虑。度的影响因素必须加以考虑。2）工作温度对AFC运行持性的影响Elenco公公司司的的研研究究表表明明，对对于于常常压压型型H2-空空气气燃燃料料电电池池，电电解解质质为为6-7mol/L KOH溶溶液液时时的的最最佳佳电电池池工工作作温温度度范范围围是是343-353K，而而采采用用8-9mol/L的的KOH溶溶液液作作电电解解质质时时，最最佳佳工工作作温温度度为为363K。但但是是，当当电电池池工工作

35、作温温度度升升至至353K以以上上时时，提提高高工工作作温度对电池性能改进并不十分明显。温度对电池性能改进并不十分明显。从从提提高高电电池池系系统统运运行行可可靠靠性性的的角角度度分分析析，电电池池工工作作温温度度不不宜宜选选得得过过高高，比比较较适适宜宜的的工工作作温温度度范范围围是是353563K。Elenco公司的研究表明，对于常压型H2-空气燃料电池，电在在众众多多AFC系系统统中中，一一个个典典型型的的特特例例是是培培根根型型氢氧燃料电池，其工作温度约为氢氧燃料电池，其工作温度约为523K。当当时时培培根根采采用用30的的KOH作作电电解解液液，由由于于工工作作温温度度远远远远超超过

36、过它它的的正正常常沸沸点点，所所以以要要加加大大工工作作压压力力(约约5MPa）来来维维持持电电解解液液的的液液体体状状态态，使使电电池结构变得十分笨重。池结构变得十分笨重。在众多AFC系统中，一个典型的特例是培根型氢氧燃料电池，其工3）工作压力对）工作压力对AFC运行特性的影响运行特性的影响从从理理论论上上讲讲，提提高高系系统统工工作作压压力力有有利利于于提提高高燃燃料料电电池性能。池性能。目目前前，已已经经开开发发应应用用的的燃燃料料电电池池系系统统中中，有有相相当当一一部分是在加压条件下工作的。部分是在加压条件下工作的。3）工作压力对AFC运行特性的影响美美国国国国际际燃燃料料电电池池公

37、公司司为为航航天天飞飞机机轨轨道道器器制制造造的碱性隔膜型燃料电池，工作压力为的碱性隔膜型燃料电池，工作压力为0.41MPa。对对于于AFC系系统统，工工作作压压力力由由反反应应气气体体压压力力与与碱碱腔腔压压力力来来确确定定。在在电电池池运运行行过过程程中中，应应使使反反应应气气体体室室(阳阳、阴阴极极室室)与与碱碱腔腔之之间间保保持持一一定定的的压压差差。但但是是压压差差不不能能过过大大，要要避避免免气气体体室室压压力力太太大大导导致反应气进入碱腔。致反应气进入碱腔。若若阳阳、阴阴极极室室内内H2、O2同同时时进进入入碱碱腔腔，电电池池系系统将会受到极大危害。统将会受到极大危害。美国国际燃

38、料电池公司为航天飞机轨道器制造的碱性隔膜型燃料电池在在阿阿波波罗罗登登月月飞飞船船用用的的燃燃料料电电池池中中，电电池池内内腔腔按按压压力力为为0.34-0.36MPa，氢氢气气与与氧氧气气室室压压力力为为0.41MPa，反反应应气气体体室室与与碱碱腔腔之之间间的的压压差差为为0.049-0.069MPa。在阿波罗登月飞船用的燃料电池中，电池内腔按压力为0.34-04)电池系统运行实例电池系统运行实例Siemens公公司司已已研研制制出出6-7kW加加压压式式碱碱性性氢氢氧氧燃燃料电池堆。料电池堆。7kw电电池池堆堆由由70个个单单电电池池组组成成，电电池池堆堆外外形形尺尺寸寸为为245mm2

39、4hnm1025mm，电电池池系系统统总总质质量为量为85kg。当当电电池池工工作作电电流流密密度度为为420mA/m2时时，电电池池比比能量约为能量约为83W/kg。4)电池系统运行实例7kW AFC电油堆电流电油堆电流电压特性曲线电压特性曲线7kW AFC电油堆电流电压特性曲线碱性燃料电池分析ppt课件碱性燃料电池分析ppt课件碱性燃料电池分析ppt课件碱性燃料电池分析ppt课件碱性燃料电池分析ppt课件6.AFC技术发展技术发展有有关关AFC技技术术开开发发课课题题是是根根据据其其不不同同应应用用背背景景进进行的。行的。AFC系统的主要应用领域有：系统的主要应用领域有：(1)航天飞行器用

40、动力电源；航天飞行器用动力电源；(2)军事装备电源；军事装备电源；(3)电动汽车用的动力电源；电动汽车用的动力电源；(4)民用发电装置。民用发电装置。6.AFC技术发展与与其其他他类类型型的的燃燃料料电电池池一一样样，AFC系系统统的的应应用用受受到经济可行性与电池性能两方面因素的制约。到经济可行性与电池性能两方面因素的制约。电电池池技技术术开开发发重重点点是是提提高高电电池池系系统统性性能能、降降低低电电池池造造价价与与操操作作费费用用、增增强强与与其其他他燃燃料料电电他他的的竞竞争争能力。能力。与其他类型的燃料电池一样，AFC系统的应用受到经济可行性与电1）提高电池性能提高电池性能 在在A

41、FC技技术术开开发发过过程程中中，提提高高电电池池系系统统性性能能主主要从以下几个方面入手。要从以下几个方面入手。(1)改改进进AFC电电极极结结构构与与电电催催化化剂剂，提提高高电电极极催催化化活性活性，有效提高电池堆比能量。有效提高电池堆比能量。1）提高电池性能(2)开开发发性性能能稳稳定定的的电电催催化化剂剂，提提高高电电池池性性能能的的稳稳定性，降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命。定性，降低电池性能衰减速度，延良电池使用寿命。(3)简简化化AFC系系统统中中的的辅辅助助设设备备，提提高高电电池池系系统统比比能量。能量。(4)采采用用先先进进的的仪仪器器设设备备对对所所有有电电池池的

42、的组组成成构构件件进进行行有有效效的的质质量量控控制制，使使整整个个AFC系系统统可可靠靠性性达达到到最最优化。优化。碱性燃料电池分析ppt课件2 改善电池系统经济性改善电池系统经济性 作作为为一一般般用用途途的的燃燃料料电电池池，必必须须考考虑虑其其经经济济性性。对对于于电电动动汽汽车车、民民用用发发电电装装置置用用的的AFC系系统统，在在提提高高电电池池性性能能基基础础上上，应应合合理理设设计计电电池池系系统统中中各各个个构构件件及及其其制制造造方方法法，并并能能形形成成生生产产过过程程自自动动化化、系系列列化化。这这不不仅仅能能提提高高生生产产能能力力，也也是是降降低低电电池池生生产产成

43、成本的有效途径。本的有效途径。碱性燃料电池分析ppt课件与与改改善善电电池池系系统统经经济济性性有有关关的的AFC技技术术开开发发课课题题主主要有以下几个方面。要有以下几个方面。(1)降降低低电电极极中中贵贵金金属属催催化化剂剂负负载载量量，开开发发非非贵贵金金属电极催化剂，减少电极材料费。属电极催化剂，减少电极材料费。与改善电池系统经济性有关的AFC技术开发课题主要有以下几个方 (2)APC需需要要用用纯纯氢氢作作燃燃料料，为为扩扩大大其其应应用用范范围围，必必须须改改进进氢氢气气储储存存方方式式。对对于于小小功功率率AFC系系统统，如如便便携携式式(可可移移动动式式)电电源源、电电动动汽汽

44、车车动动力力电电源源，通通常常以以贮贮氢罐供给电池燃料。氢罐供给电池燃料。贮贮氢氢罐罐携携带带方方便便，易易更更换换，但但其其安安全全性性令令人人担担忧忧，尤尤其其是是在在电电动动汽汽车车那那样样摇摇晃晃、震震动动的的场场合合，安安装装贮贮氢氢罐罐就好象在车上安一枚重磅炸弹。就好象在车上安一枚重磅炸弹。目目前前，贮贮氢氢合合金金材材料料的的研研究究取取得得可可喜喜成成果果，这这为为AFC的贮氢问题提供了的贮氢问题提供了 一条新的解决途径。一条新的解决途径。(2)APC需要用纯氢作燃料，为扩大其应用范围，必须(3)对对于于大大功功率率AFC系系统统，氢氢气气来来源源是是多多样样化化的的，包括天然

45、气、甲醇、石油和煤等燃料。包括天然气、甲醇、石油和煤等燃料。必必须须开开发发流流程程简简单单、投投资资少少的的燃燃料料转转化化与与分分离离技技术术，获获得得廉廉价价的的纯纯氢氢。从从当当前前燃燃料料电电池池技技术术发发展展趋趋势势来来看看，由由于于AFC需需用用纯纯氢氢作作燃燃料料，限限制制了了AFC的应用范围和发展前景。的应用范围和发展前景。在在AFC商商业业化化过过程程中中，燃燃料料转转化化与与分分离离费费用用的的提提高高，使使得得AFC与与其其他他燃燃料料电电池池如如SOFC，MOFC等的竞争力下降。等的竞争力下降。(3)对于大功率AFC系统，氢气来源是多样化的，包括天然气、作业作业你你认认为为应应该该如如何何解解决决燃燃料料电电池池应应用用中中燃燃料料储储存和供应的难题？存和供应的难题？作业完完完