碱性燃料电池的开发

碱性燃料电池的开发 ： 原屿孝一 I 一 ． 前 言 美国阿渡罗宇宙飞船及宇宙联络飞船采 用碱性燃料电池作电谭^所其知。实际飞行 的结果明 聩性燃料电池作为宇宙用等特 殊用途的电源已达实用化阶段。西德也对此 进{亍了研究 试材了7千瓦氢氯燃料电i蠹， 并对作潜艇电潭用等旃魍进行了研讨。 由于其燃料蔼用纯氢，怍一般用谗的电 潭适用范围受限制。但在日奉和欧ilII，把氢 能系统这样的纯氢怍为镌源中问系统正在进 行着扎扎实实的研究。 日本富士电机公司以一般企业用为对象． 从1 961年起着手研究喊性燃料电}毫。10年开 发7高效率的l千瓦电i蠹翅， 72年望完成了 日本最大容量的l0千瓦发电装置 l0O毫 安／厘米’的电漉密度戚功地进行了长时问 的运转。进丽以此技术为基础，进行了氧空 气燃料电泡的研究，以术此瑗技术的进一步 展开。 结果于7 7年试翩了2千瓦氧空气燃料 电池，并与日电力中央研究所共同以此作为 分散壁电潭筑并^电力系统方面的技术阔囊 进行了各种试验。另外，自18年在谣商产业 省工业技术院的 日光计盘i 中 接受研究 氧利用技术的麓性水溶液电解质氧蕾燃料电 池的委托 继续进行以水电解和燃料电池相 结合．甩以作电力供求调整为目的研究(用 颧定电力把永电解赡氢种氯，峰慑时甩燃料 电池经电力变换霜供电)。 自81年起在 月 光计鲻 中 麟|匕榫为节慧技术，l；l氢空气 鞠瓣电穗为对纛蠢舒7茧l木鸯适，在越肇稿 l‘ 建遗值二 上进行了产品化技术的开发 从85年起叉开 始进行作为取代恒压恒霉噩(L~EF)应急电 蔷 电池组的电源及可移式(移动用)电源的研究 本文概连了碱性燃料电池的原理、组成 和特点．介绣了富士电机公司在 月光计鲥 中舶研究或果 该技术的发展及目前产品 化开发的状况。 二 ．碱性燃料 电池概要 0．1 曩曩 碱性燃料电池通过如图l所示的反应放 电，并同时生成水。 圈I ■'生篇科电抽原理圈 电解液采用普通30、5O 氧氯化钾水溶 液(障被罗宇宙飞船用的是85 嚷溶液)。它 与礴酸塑的情况不同，电解渡中的离子传导 耆是伽 由于氢、氯电梗的电撮反应不同 所以在氢电极一倒生成水。另外 氯电概舶 撮托(件麓反应的损失)赛比痹暖型等暖性电 解镀量来得小 因而可以获得很高的电蛙事。 维普资讯 http://www.cqvip.com 工作褪度一般在l 00．(’以下(阿波窄宇宙 飞船能工作湿度在230℃左右) 工作压力{生 尚姥置、高功率密度用时为l、3套斤 厘米 (表压)， 空气赝力一般为O一敢酉毫米永拄。 Z．2 系统组威 燃辩皂池在放电的同时降随着生成木， 侗在1O0℃以下1：作的聩性燃科电i电中， 生 成的水被电解演吸收，因此必颁除去{瘦稀释 的电解液中的事威水 另外．放电过程还有 热量产生．要除去热量必缅进行沮度控翻 去承除热的方式有气体循环方式．电艉液镛 环方式、冷却秘循环方式以及由它们结合的 方式。以往富士电机公司的IO千瓦氧氧燃料 电池及2千瓦氢空气燃料电池都采用气体镛 环与电解液循环相结合的系统。囹2是l千瓦 匿2 l千瓦董空气糖科电油蔫茂 I>透气日 2)空气捧艘 ，)抟却承 ●)空 风执 5)豫CO 装置 ‘)抟囊嚣 7)电抽木 体 I)空气宣 ●)电麓囊室 10)氢气宣 I I)青岛 I2)■压譬 I{)喷射嚣 II)节巍 闶 I5埔 囊餐 I‘，挣却承 ¨)董气捧艘 IS)电麓赣梧 19)加热鼍 ZO)电謦囊夏 氢空气气燃料电池系统构成图。它也是采用 气体 环和电艉液循环方式相结告的系统。 在可移式辱的用途中，由于冷却水的供给有 困l，因北还在进行与空气冷却方式榴●● 一 的研究。 ： 2．3特点 Z．3．1 优点 (I)从耐电艉液性方面来看． 不必馒用 螗格昂贵的铂蔡僵化捌。例如，氧电极可采 用镍系催化荆．氡电极可采用韫最催化j礴。 (2)室沮下 ．舜问便麓输出部分负荷 j 馥定负荷可在5分锋内=达到。 (3)由于一般工作强度在lO0℃以下 ，因 此燃料电池奉体构虚榜料的选择藏匿广 可以使用比磷酸囊镬常健用的氟暴列树蘑 蓖 竹廉、耐碱的塑料(如聚丙并树靡、 聚飘树 艚辱)。 这些塑料可适用注董盛形谊种赶量 生产技术，可以竭I率慨威本。再考．，电韫材 料也能使用镶这类金鬻 可以获得羲糖强震 高的结构。 2，3．2 点 (1)由于C0 气体舍使电池性羹下降，一 旦电解液与台有c 01的气体接骸， 电解液中 就会生成璇蘸报离子(鼋譬蘸盐)，蛔台量超过 30 ，输出功率便叁急尉下降。因此，象霸 氢化合韵燃料和胤经重整后的气体t在音有 百分之甩十e0肭 场合下 必锺配重二蕈化 破除去装置，这样势必要提高造价。 (2)为保持一定的电解液浓度， 需要进 行适当的挖剜，因而使系境复杂他。 (3)由于低沮工作(IO0"C以下)，所以废 热年辱用困难 另外，除热装置(拎却装置)也 比高温工作的燃辩电池沮差小，因此体积童 大。 三 ，富士 电机公 司的研 究开发 ．1王●■■}} { ．． { t 董主} ，}一事●lt．-_i ， 维普资讯 http://www.cqvip.com 童士电机公司根据1 2年铂谴鼬t0千瓦 (9008-11．5V)氢氯燃料电池，确 定了包括 气体、电解液供给磊统在内的发电装置的基 本组成。”年试钢了2千瓦(2OA一1 OOV)氢空 气燃料电池，巩固了高压化技术。进而按照 日光”、 月光计划 的委托 力求 提高电池性能，并在8 4年试制的1千瓦(1 0 0A 一 10V)氢空气燃料电池中得以证实。 以此为基础，从85年起试制了怍应急电 源用的7．5千瓦氯氧燃科电池及怍可移式电 源用的3+6千瓦氧氧燃料电池， 并已进行了 产品化开发。 下面就 月光计划 中，的1千瓦氢空气 燃辩电池和现在已在进行的产品化开发的研 究成果加以介绍。 3．1 1千瓦氯空气燃牵f电浊的开发 3．1 电地蛄转 电池构如图3所示。 把电摄以挟持澈室 ． 图0 I千瓦电地的单电池结构 隔板的形式牯结在塑科制成的电池框架上 然后再加上镍割黼扳而构成单电池。气难及 电群液蠲递的密封采用橡皮垫圈进行窍封， ％ 癌接是由 顿的一部份与屯极四周接触 并以叠层形式构成率麟连接。 48 3．1．2 催化射 -屯掇 (1)氧电扳催{匕jfj 常用添加第二、第三元素的阮采镍催化 jf9或者将少量铂加刊高度分数成十几埃微粒 的碳载体催化刺来作为高性能、耐氧化性好 的氨电极催化劫。 阮来镍是高活性催化利，但它一与空气 接触就会氧化、发热，致使活性下降。为此 与碳戟体的铂催化棚相比，再要防止氧气的 混入。但如在阮来镍中擐由n L一2 锥和5 铁或者只添加2 话的催化荆， 有助于其耐 氧化性能的提高。 另外。炭载体铂催化荆中的铂用量已减 少到与原来镇价格相当的程度(0．3毫克／厘 米 以下 )。 图4示出了上述氢电极的电流～电位特 性．均呈现出良好的特性。 毫耆II酱度f毫束／ff冒柬t) 圈● 氢电橱糟性 1)台锸 怯的阮采镰摧北剂电撮 0)昝铺的阮采禳倦他辩电掇 3)炉黑裁体的铂档北捌电极 (z)氧(空气)电极倦化剂 氧(空气 电极潜纯荆 往一直采用活性 碳戟律的箍储觅剂。但话性碳在55-f：以上舱 渝，要及纯魏曲氧"住气鬟 - 曼匀强麟电 解液(浓度3 0 ￡∞ JH溶 掉}熟 虢毒 维普资讯 http://www.cqvip.com 发生氧化、老化，所以现改用了耐腐蚀性好、 表面积大的璇黑及肢体石墨作裁体的韫僵化 嗣，显示了较好的性能。此外，氧电极也可 甩与氢电极同样的高分散性破戟体的铂催化 荆 ，但也娶力求减少铂的用量。 图5示出了这些催化剂的氧(空气)电掇 的电流一电位特性。用肢体石墨作戟体的铂、 银催化；fj部呈现出良好的特性。 电 位 毫 伏 电离崧皮(亳束／曩耳} ) 圈5 氧电授特性 1)政体石墨裁悻曲帕催化荆电棱 2)政体石墨裁体曲，民{|l他荆电撮 3)炉j}Il稳体酌螺健刺电摄 (3)电极结构 电极结构如图6所示。它是由液相层、 液 体 鬻 液相层能防止气体吹出，而且还能使电解液 容易渗入 以便于离子大量扩被。 防水层(气相层)在防止电解液向气体伽 镑漏的同时，还具有良好的气体透过性。因 此须将材料和气体孔径调制盛摄佳状态。 夹在两层中间的催化层形成了电解掖、 催化蒯、反应气体的三相界面，为使催化反 应高效，催化荆粉末和氟树膊粉束应以台适 的量混合、调制而成 3．1．3 l千瓦氩空气燃耕电池的运转站 曼 I千瓦氢空气燃科电池是由有效面积为 1O00厘朱 的单电池串联连接而进行工作的。 进行了输出特性试验、连续放电试验等备种 试验，都这到了预期的目标。 图7为电流～ 电压特性图．图8为连续放电试验的结果。 它取得了运行3口口0小时性能不下降的良好成 绩 ，5 幽 静 5 0 毫 蠢r謇j 躅7 l千瓦氯空气燃科电湾曲电|齑—— 电压特性 佰 一 强fI口 § }|i 5 电授结构 经过时粗f小甘， 黪 爨、琦求屡t气枢篡j藤绍暾妁三量绩 。 瞬I l千瓦氨空气燃料电糟的连续放电特性 l 维普资讯 http://www.cqvip.com 3．2 产晶忧开发 3．2．I恒压恒频(CVCF)应急电源的开发 因为碱性燃料电池能在室温 F瞬间 所以适宜作应急电潭珥。匏就 罄：《， 筑 处 _f氢气和氧气供给燃 申r 踱 ≮ 一 旦接通负荷 ；Ijl砬示出每图q】I『j撵的j 电压 电硗 f电净， 90毫安／厦求 圈9 投入负荷的被形田 因为燃料电池能适应瞬时投入负荷．所以适 爵用怍cVcF应紧电源。 目前CVI；F在 l 0分钟之 内的停 电由内装的蓄电池组供电，超过1 0分 钟的长时闻停电就由荣油发电机系统供电。 换上燃料电池就能保持蓄电池和柴油发电机 两者的功能．而燃料电池比蔷电池重量轻，也 没有荣油发电机的噪音 、振动和排气的问题。 图l 0示出了85年试制的用于CVEF应急电 谭的7．5千瓦氢氧燃料电池的系统构成图。 置 I 舶10 T．s千瓦氢董螺科屯艳慕镜 S8 敷 氧电 鲁冀 该系统是为代替莆电池的i of,Y钟翱定而 - 一 l1、 I 越堪 窍 J 。加 。 ii 矗f 一 ∥I 。- 萼隧 驻 豳 鞭日姚 匿 晴三玉 盟 1 ． ， 懑t毒 嗣 lI 1辜申．蕈申的 转结果 寓#作为应急电源具有充分的赦能。该电池 作为控钢电猿CVCF的麻急电源已进行 r约 2 年时间的现场试验。 3．2．2 可移式(移动用)电源的开发 富士公司还开发了作为一种一般电源的 可移式(移动用)电狼。它是燃料用纯氯、氧 忧荆用纯氧或者空气的小型可移式电源。考 虑适用于象焊接用电源、施工用电i啜等以前 使用高压气瓶的场合 这种可移式电源的开 发课题是， (I)小塑、轻量且坚置。 (2)能瞬时起动。 (3)能适应瞬时的夤蠢变忧及讨负荷。 (4)维护容易。 开发目标参敦示于表l。 为力求如图I 2 所示的小墅忧，系统中采用了静止型电解液 以简忧电解液循环系统；通过控材气体循环 量来维持电解液的平撕 井目用夺气狰却来 维普资讯 http://www.cqvip.com |妾现燃料 e瞧的溢琏经 t{。 现在3 b f瓦的 鬟 绣 ’：： 麓 和 衍之中。 i 竞一拇珊§ ；l扫漂鼬开发舀撩露觳 团】2 ， 6千瓦氢氯燃料电艳磊境 I)调压目 z)镛环夏 3)电舸i蠢■ )喷射 囊 5)氯气瓶 ‘)氯气宣 T)电解{曩室 ” 氢气室 ”循环量髓节栩 l0)氢气瓶 lI) 氧气排娥 I2)电池抟却风机 l1)爨料电池 l|)拎麓勰用冷却风机 15)拎凝嚣 1 6)氢 气排敲 I )捧东 四、今后的发展趋势 碱性燃料电池作为特豫用谗的高密度屯 源可适用于字航、潜船苒 面 、在开车，黼 着掌街 胄f；的开发，臧性燃末{电池也 捧 为 一种备用电豫。因雌必颁 懑其 肮 {_ 向 另外 ．近年来嘲于能源供求关系的缓翱 出现了提高能螺耐加价值的动 阳。刮如 ，L 经看到的用富氪膜或加压变携吸收法辅割炼 钢炉气而获得纯氯的技术的 1毛速发艉 ，以 采用热化学循环法分解水而获得廉价氧气的 技术的深 研究。注意这些动向， 燃料}毡 池应用于太规横电站方面，有必器进{亍相麻 的概念设计的探讨 在欧iIl【，已开始对碱性燃料电池作电动 汽车电源进行正式的研究，井在产品开麓阶 段也一盲在注意其发展动向。 从以 介绍的同围情况、技术动向中． 可以明确域性燃料电池所处的重要位置．箨 反映了其开发方针。 五 。结 语 碱性燃料电池与现在研究进展最侠的磷 酸璎燃料电池相 比具有种种特点，并在氧能 系统中被看作为核心技术之一。不过除了特 释 甩落钋 ，日 尚素选刮实 水平。霉嗣 的关键 在技术上要进一步努力提高可靠性 和延长寿命；在经济上最重要的是开发批量 化生产技术、采用更廉价的材料。今后坯要 在这些方面做更犬的努力。 【贺寰强坪 自 ‘_|士啐鞍'III● 2 V0t‘I N02，PI BB—i 7 2， 刘撞兰控】 5l 维普资讯 http://www.cqvip.com