首页 理论教育燃料电池关键因素:催化剂、水管理和成本优化

燃料电池关键因素:催化剂、水管理和成本优化

【摘要】:让我们以难度依次降低的顺序,罗列出最受关注的关键因素:1)催化剂的效率、寿命和成本。9)水的管理与排放。图6-8 燃料电池中的关键因素PEMFC最主要的问题是在电池运行过程中,膜需要保持充分的水合状态。至于SOFC所遇到首要问题,与高温和陶瓷材料的制造难度相关,而不是膜;因为电极、接头和外壳要在800℃以上的温度区运行。碱性燃料电池因为成本相对较低、可在低温运行而受到关注,不过其不足之处是寿命比PEMFC短。

燃料电池技术以及如何管理运行还远远没有被完全掌握。燃料电池还没有真正实现商业化,仍属研究阶段。让我们以难度(取决于电池类型,因此也并不绝对)依次降低的顺序,罗列出最受关注的关键因素:

1)催化剂的效率、寿命和成本。

2)隔板的良好离子传导性、机械可靠性和稳定性。

3)隔板的阻气能力(SOFC)。

4)隔板的电阻

5)电接触部分的性能(双极板)。

6)隔板的水密性。

7)膜的水合性(PEMFC)。

8)热管理。

9)水的管理与排放。

图6-8指出了这些关键因素在燃料电池中的位置。

978-7-111-59622-6-Chapter07-14.jpg

图6-8 燃料电池中的关键因素(成本除外)

PEMFC最主要的问题是在电池运行过程中,膜需要保持充分的水合状态。为了确保良好的传导性,膜必须含有一定量的水。水量的多少根据电池工作温度和管理策略变化,不能低于一定的阈值,因为水越少,膜的传导性越差,电池性能下降就越多,进而水通量越大,促使膜加速变干,最后导致膜穿孔破坏。反之,如果膜的孔道中水分过多,会占据离子位置,妨碍质子传输(也称作膜水淹)。

至于SOFC所遇到首要问题,与高温和陶瓷材料的制造难度相关,而不是膜;因为电极、接头和外壳要在800℃以上的温度区运行。特别是,它们各不相同的膨胀率还要符合电池在停止/启动等不同阶段的需求。正因如此,宁可让电池的工作状态缓慢变化,也不要完全停止运行。比如,在储能用的装置中就不会出现这种问题。

碱性燃料电池因为成本相对较低、可在低温运行而受到关注,不过其不足之处是寿命比PEMFC短。电极寿命受限于它在碱性环境中的抗腐蚀性,而且必须严格控制环境成分,以防止催化剂性能的快速降低。

不论何种类型的电池,隔膜厚度的选择都是一个折中问题。追求最佳传导性不一定正确,因为最终需求是传导率G,而不是传导性σ,尽管它们之间存在比例关系(对均质膜):

978-7-111-59622-6-Chapter07-15.jpg

为了优化膜的传导率,设计者往往会增大膜面积A,同时降低膜厚度l。但是,成本也会随着膜面积的增大成比例增加,而机械脆性却与厚度成反比。在“最薄”以确保膜获得最大传导率,和“最厚”以保证膜具有良好的机械性能之间,很难找到最佳的折中方案,这需要由具体应用和功能决定。