《哈工程 燃料电池 总复习讲诉.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工程 燃料电池 总复习讲诉.（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1) 燃料电池是一种能量转换装置，它将存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换成电能。2) 燃料电池系统一般由五个子系统构成，分别是：燃料子系统；燃料电池子系统；热管理子系统；电力转换子系统；电池自动监控系统。3) 通常将DC/DC变换器的输出功率与输入功率的比值定义为其变换效率。4) 燃料电池的理论效率为： ，式中hr为燃料电池的理论效率，即热力学效率。5) 根据产生的原因，极化可分为三种：活化极化；浓度极化；欧姆极化。6) 电势偏离平衡电势的现象称为电极极化，定量表示极化程度大小的量就是过电势，通常用表示。 7) ，常数a(A)相当于单位电流密度时的过电势，其值越小则极化越小。a(A)的
2、大小主要取决于交换电流密度j0的大小，交换电流密度越大，则a(A)越小。8) 对于氢氧燃料电池，阳极的过电势要比阴极的过电势低很多，电池的极化主要发生在阴极。9) 由浓度上的差异引起的极化就称之为浓度极化，导致的过电势即为浓差过电势conc。10) 当电极电势远远偏离其平衡值（阳极电势远高于其平衡电势或阴极电势远低于其平衡电势）时，电极反应的推动力足够大，电极反应足够快，反应物一旦到达电极表面立刻就被反应掉，此时反应物在电极表面上的浓度cs=0，这一条件下的电极反应产生的电流密度达到极限值，称为极限电流密度jL。11) 在燃料电池的设计过程中，必须尽可能增大极限电流密度、避免电池过早进入浓差极
3、化控制区。12) 各种极化导致的电压损耗具有叠加性。13) 将燃料电池的实际输出电压（E）与热力学可逆电压（Er）的比值定义为燃料电池的电压效率（voltage）， 也称为电化学效率。14) 将那部分真正产生电流的燃料与提供给燃料电池的总燃料之比定义为燃料利用率fuel。15) 可再生燃料电池有独立式、整合式与可逆式三种。16) 催化剂是电极中最主要的部分，电催化剂的功能是加速电极与电解质界面上的电化学反应或降低反应的活化能，使反应较容易进行。17) 普通液相还原法的优点：方法简便； 缺点：(a)制得的催化剂的分散性比较差；(b)金属粒子的平均粒径较大；(c)对于多组分的复合催化剂，还会产生各
4、组分分布不均匀的问题。18) PEMFC的电极为气体扩散电极，它一般由扩散层和催化层组成。扩散层主要起支撑作用，并为反应气体的扩散和水的排出以及电子的流通提供通道，而且起到收集电流的作用。19) 扩散层的功能有：(1) 支撑催化层；(2) 使气体反应物通过扩散层扩散到催化层；(3) 传递由催化层产生的电流。20) 通常是在其表面涂覆一层炭粉进行整平处理，这样做的目的有两个：一个是为了消除表面的凹凸不平；另外一个目的是在炭纸或炭布表面再构建一个炭粉扩散薄层，以使气体进行均匀扩散。21) 整平处理过程：炭粉可以选用乙炔炭黑，将其与PTFE乳液进行混合，得到一定比例的溶液，并对其进行超声震荡，以便分
5、散得更为均匀，之后将混合溶液均匀涂覆在炭纸或炭布的表面，最后在330370 进行热处理，即可得到扩散层。22) 质子交换膜作用：(1)它是种绝缘体，防止电池短路；(2)作为隔膜，把阴、阳极分开，也防止氢气与氧气直接接触；(3)它是一种质子导体，它把氢在阳极氧化生成的H+输送至阴极，提供阴极反应所需的H+，并使电池形成电回路。23) 厚度对Nafion膜性能的影响：质子交换膜的厚度越薄越有利于减小电池的内阻和提高H+的迁移速率；但膜太薄，氢气和氧气易透过膜，气体的透过率与膜的厚度成反比，因此，Nafion膜的厚度要在一定的范围内。24) 金属双极板的缺点：a.耐腐蚀性能差，不能满足燃料电池长期稳
6、定运行的需要；b.金属表面会发生钝化，形成绝缘氧化层，增大了双极板和膜电极扩散层间的接触电阻；c.金属双极板的阳离子浸析会导致质子交换膜性能的下降。25) 包覆技术是指以一种或多种金属板包裹在基体金属板表面的技术。26) 流场的功能是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处。27) 交指流场优点：这种流场设计能够提高电池的功率密度。反应物能够比较充分地通过流道，并具有较好的排水能力。 交指流场缺点：由于扩散层的阻力较大，会使流场的压力降增大，而且容易发生短路或者沟流的情况。28) 用高压氢作氢源优点是压力容器容易制造、制备压缩氢的技术简单、成本较低；缺点：质量储氢密度很低，而且，高压氢
7、还有安全性问题。29) 早期有人报道纳米碳管储氢量可高达10%，用电化学方法使纳米碳管储氢的储氢量可高达14%，石墨纳米纤维的储氢量甚至认为可高达67%。但最近的研究表明上述结果有问题，现在比较公认的纳米碳管储氢量只有1%。30) 用纯氧的优点：电池性能好；用纯氧的缺点：a.需要氧源，如高压氧钢瓶；b. 另外，会给水控制带来一定困难。 用高压空气，其优点：能够使电池的性能提高；缺点：空压机的价格较高，能耗较大。31) 电池中的水是由于两个方面产生的：一方面是增湿带入了一部分水，另一方面是反应生成的水。32) 常用的增湿方式可分为外增湿方式和内增湿方式。其中，外增湿方式有三种：a. 鼓泡法：将反
8、应气体通过水温可控的鼓泡器进行增湿，称为鼓泡法。b. 喷射法：将水喷射到反应气中来使反应气增湿，称为喷射法。优点：该技术较成熟，一般在大型PEMFC堆上广泛使用。缺点：这种方法需要加压泵和阀门等，这些设备要消耗能量；c. 自吸法：该法在电极的扩散层中，加入灯芯，这些灯芯浸在水中，将水直接吸入Nafion膜内。优点：这种方法可实现膜湿度的自我调节；缺点：灯芯的使用增加了电池的密封难度，故现在较少使用。33) 要求以Nafion膜作为质子交换膜的PEMFC的工作温度要低于100 ，通常为80 。34) 在双极板中设置冷却通道一般使用的冷却剂是水，也有在水中加入乙二醇，以使水不易结冰。35) 一般使
9、用的冷却方式是采用冷却水循环方式，优点：这种方式比较方便；缺点：要消耗较多的动力。另外一种冷却方式是利用液体的蒸发来控制温度，被称为利用液体的潜热。优点：因为液体蒸发的潜热较大，所以，这种方法被认为是较有利的排热方式；缺点：由于PEMFC工作温度一般在100 以下，因此不能用冷却水的潜热冷却，可以采用乙醇等低沸点的液体的潜热来排热。36) 扩散层一般由碳纸或碳布制成。37) 催化层主要由催化剂、聚四氟乙烯和Nafion按一定比例组成。聚四氟乙烯主要起粘结和防水作用。Nafion主要起增加质子的扩散作用。38) 化学吸附有缔合吸附和解离吸附两种类型。39) 以合金形式存在的Pt-Sn催化剂不具有
10、催化甲醇氧化的作用，而以非合金化形式存在的Pt-Sn催化剂对甲醇氧化却具有很强的电催化作用。40) Pt/金属氧化物复合催化剂性能改善原因：这主要是用共沉积方法制备的复合催化剂中Pt和氧化物的分散度大大提高；另一方面是由于Pt和氧化物的协同作用的结果。41) 聚吡咯也是一种较好的导电聚合物。聚吡咯-Pt复合催化剂对于甲醇电氧化的高催化活性可能是由于：金属与聚合物之间的强相互作用。42) 从催化剂组分来提高催化剂性能，目前为止，Pt-Ru/C催化剂是目前研究最为成熟、应用最为广泛的DMFC的阳极催化剂。Ru的加入有两个方面的作用。一方面，Ru的加入会影响Pt的d电子状态，从而减弱了Pt和CO之间
11、的相互作用。另一方面，Ru易与水形成活性含氧物种，它会促进甲醇解离吸附的中间物种在Pt表面的氧化，从而提高了Pt对甲醇氧化的电催化活性和抗中毒性能。在Pt-Ru/C催化剂中，真正起助催化作用的是RuOxHy（Ru的氢氧化物），因为RuOxHy既能传导电子，也能传导质子(无水RuO2和Ru不能同时具有这两种能力)，同时还能提供丰富的含氧物种。Pt-Ru复合催化剂的电催化性能随催化剂中Pt-Ru合金化程度的增加而增加。Pt粒子不是越小越好。催化剂中金属粒子的结晶度低，催化性能好。43) 表面粗糙效应，也就是雷尼效应，即合金催化剂中第二元素的损失使催化剂表面变得粗糙，使得有效元素Pt的比表面积增大。
12、在溶剂中，第二元素溶解脱落，这样，催化剂粒子的粗糙度增加而提高了催化剂的比表面积，从而提高了活性。44) 直接甲酸燃料电池的优越性：(1) 甲酸无毒，美国食品与药物监督局允许甲酸可作食品添加剂。(2) 甲酸不易燃，存储和运输安全方便。(3) 甲酸的电化学氧化性能要比甲醇好，用甲酸作燃料时，在标准状态下的理论开路电位为1.45 V，高于甲醇。(4) 虽然甲酸的能量密度较低，为1740 Whkg-1，不到甲醇的1/3，但甲酸的最佳工作浓度为10 moldm-3，在20 moldm-3浓度下也能工作，而甲醇的最佳工作浓度只有2 moldm-3因此，DFAFC的能量密度比DMFC高。(5) 由于甲酸的
13、最佳工作浓度在10 moldm-3，因此，冰点较低，所以DFAFC的低温工作性能好。(6) 甲酸是一种电解质，有利于增加阳极室内溶液的质子电导率。(7) 由于质子交换膜中的磺酸基团与甲酸阴离子间有排斥作用，因此，甲酸对Nafion膜的渗透率比甲醇要低一个数量级。(8) 由于甲酸氧化的活化能比甲醇低，因此，温度对甲酸氧化性能的影响较小，所以，DFAFC的低温性能要好于DMFC。45) 甲酸氧化的双途径机制即直接反应途径与CO途径。46) 下图为0.5 mol L-1甲酸在Pt/C电极上的循环伏安图。图中可以观察到在电位正扫方向上出现了两个氧化峰，峰电位分别位于0.36V和0.69V。在负扫方向上
14、出现一个位于0.46V的氧化峰。 在正扫方向上，第一个小的阳极峰的形成是由于未被中间体COads封闭的残余位置的甲酸直接氧化为CO2。第二个阳极峰的形成是由于中间体Cads被含氧基团氧化为CO2，并释放出表面位置给甲酸继续氧化。 反向峰特别大，因为COads已被氧化，活性Pt较多。47) Pd催化剂稳定性不好的原因之一可能是甲酸在Pd催化剂上分解；另一个原因可能是阴离子对Pd催化剂性能的影响。48) PAFC系统主要由四大部分构成：燃料系统、电池堆、换流器、控制系统四大部分组成。49) 按冷却剂不同，PAFC的冷却方式可分为水、空气或绝缘油冷却三种方式。水冷却是最常用的方式，冷却方式可分为沸腾
15、冷却和强制对流冷却两种方式。50) Pt/C催化剂团聚原因：在PAFC工作条件下，由于Pt与炭载体之间的结合力很弱，因此在长期工作过程中，Pt粒子会在炭表面慢慢迁移和团聚，因而降低了催化剂的性能。解决办法：为了防止团聚，可将Pt/C催化剂在260649 下，用CO处理，因CO裂解沉积在Pt粒子周围的炭能起到锚定Pt粒子的作用而不易使Pt粒子迁移和团聚。51) 磷酸流失的途径有两种：一是磷酸在高温下挥发而被反应气带走；二是被电池中的石墨双极板吸收。52) 对隔膜的性能要求是：对磷酸具有较好的毛细作用，能够使磷酸较好的保持其中。不传导电子，即具有良好的绝缘性。要能防止阴极和阳极气体互相串通，即防止
16、交叉渗透。具有较好的热传导性。在工作温度下具有较高的化学稳定性。具有要求的机械强度。早期的隔膜主要使用经过特殊处理的石棉膜和玻璃纤维纸，但是，由于石棉和玻璃纤维中的碱性氧化物会和电解质浓磷酸发生反应，从而使电池的性能降低。53) 根据电化学热力学， ，S为负值，所以，从上式可以看出，随着电池工作温度的提高，电池的可逆电动势下降。标准条件下，电池热力学可逆电动势的温度系数为-0.27 mV-1。也就是说，电池工作温度每提高1 ，电池的电动势下降0.27 mV。54) 当燃料气体中同时含有CO时，H2S对电极的毒化作用会加强，将这种影响叫做协同效应。55) 电池性能下降的现象可分为两类：一是电池性能急剧下降，其原因可能是磷酸不足或氢气不足；二是电池性能经过数
