Autolab在燃料电池研究中的应用

Shanghai Nano Instrument Co.，Ltd. Autolab 在燃料电池研究中的应用 1.什么是燃料电池? 燃料电池是一种通过电化学形式将燃料(典型的为氢气)和氧化剂(典型的为氧气)的化学能转换成电能和热能的装置。由于燃料电池能直接将化学能转化为电能，而不需要像燃料通常供能所采用的燃烧形式，因此其能量转换效率比内燃机高的多，内燃机受“卡诺循环”的限制。相对于以化石燃料为基础的技术，提供同样的能量输出，(燃料电池的)高效率产生低的二氧化碳的排放和数量可忽略不计的 NOx 和SOx(当使用重整燃料时)。 燃料电池的原理 如图1所示，燃料电池包括两个电极以及夹在其间的电解液。氢燃料输送到燃料电池的“阳极”。氧气(或者空气)通过阴极进入燃料电池。 图1 燃料电池工作原理 在阳极氢气分裂成质子和电子。质子通过电解液扩散到阴极。电子产生电流流动，在其回到阴极以前可以被利用。质子和氧气结合生成水。 燃料电池不一定使用纯氢气操作。包括“燃料生成器”的燃料电池系统能够使用从任何碳氢化合物燃料生成的氢气--从天然气到甲醇，甚至汽油。由于燃料电池依赖的是化学反应而不是燃烧，这种类型系统的排放比最清洁的燃料燃烧过程还要少。 氢氧燃料电池的基本反应： 阳极反应： 2H2-4H+4e 0.00V 阴极反应： O2+4H*+4e→2HzO 1.23V 总的反应： 2H2+O2→2H2O 1.23V 从上面的方程式中我们能看出理想状况下燃料电池的开路电位(OCP)为1.23V。图2显示的为典型的单电池性能(I-V特性)，虚线为理想的情况，实线的为实际的性能。从曲线上可以看出OCP 要比理想的 OCP 低并且随着电流密度的增加而减小(例如，存齐一个电位损失)。 纳诺仪器 nano instrument 图2单一燃料电池的I-V性能表示出多种损失 Current Density， mA /cm- 四个主要因素导致这些损失： 活化或者动力损失：由发生在电极表面的电荷传递反应的速率引起的； 欧姆或阻抗损失：由电子流过电极材料、连接的地方以及电解液的阻抗导致，并且和电流密度成比例； 质量传递、扩散或者浓度损失：由电极表面的反应物被用光后，浓度的改变引起的； 燃料扩散和内部电流：这种损失(上图没有标出)往往是由于没有利用的燃料通过电解液和通过电解液的电子传导引起的偏移电流引起的。原理上电解液只应传递离子，但有时，尤其是在直接甲醇燃料电池上(将会在下篇应用文献中讨论)燃料的扩散和电子的传导会导致显著的损失。 燃料电池堆 如前部分讨论的，单一燃料电池只能提供理论上最大的1.23V。实际上经过将众多的电压损失考虑之后，单一燃料电池的实际电压会低到0.7V。这个电压对于众多应用都不够大。因此，为了使-个燃料电池产生更有用的电压，就将很多单一一的电池连接在一起形成一个燃料电池“堆” 燃料电池堆可以通过多种方式将电池组串联和并联的方式连接起来生成一个应用上要求的电压、电流和功率。一个电池堆包括的单一电池的数量经常超过50，并且根据堆的设计会有众多改变。图3为一个燃料电池堆的示意图。 一个燃料电池堆的基本的框架包括阳极、阴极、电解液以及电传导、绝缘以及燃料和氧化物流动所需要的额外部件。另外，燃料电池堆还需要电流汇集器和分离器金属板。 电流汇集器将电子从阳极传导到分离器金属板。分离器金属板在电池和从另一个邻近的在物理上与其隔离氧化物流动的电池之间提供电子连接。经常的，两个电流汇集器和金属板连接成一个单一的单元称为“双极金属板”。电流汇集器的通道起着燃料和氧化剂分配路径 的作用。 图3 燃料电池堆的示意图 电化学性能方法 循环伏安(CV) 通过循环伏安我们能能获得关于燃料电池多种组分动力学的有用信息。AUTOLAB 恒电位仪/恒电流仪系统结合 ScanGen 和 ADC750 模块能提供速度高达 100kV/s 的模拟扫描来测量快速过程如氢的吸附。 线性扫描伏安(LSV) 线性扫描--极化曲线能用于测量燃料电池的I-V性能。该方法包括扫描工作电极上的电位并且测量电流响应。AUTOLAB电化学工作站能提供低到几 uV/s 的扫描速度。 电化学交流阻抗谱(EIS) 最近几年 EIS 被成功地应用于燃料电池的研究上。EIS 相对于直流技术的优点之一就是将在不显著干扰测量体系的情况施加一个非常小振幅的信号变成可能。带有 FRA2 的AUTOLAB 系统结合10A或 20A增流器可以实现在大电流密度下进行 EIS 测 Shanghai Nano Instrument Co..Ltd. 上海纳铭仪器有限公司 杭州办事处 地址：上海市莲花南路1388弄8号1503传真：021-61131052电话：13107006400电话：021-61131031 021-61131051湘编：201108销： infostano-insttu.com网址： www.nanainstru.co传m真：0571-56117261 www.nanoinstru.com