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文档简介
1、镁燃料电池的发展及应用镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运、可使用温度范围宽(-2080C)及污染小等特点。作为一种高能化学电源,在可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源和备用电源等方面具有广阔的应用前景。1镁燃料电池的工作原理镁燃料电池(Magnesiumfuelcell,又称Magnesiumsemifuelcell)主要由镁合金阳极,中性盐电解质和空气(氧气或其它氧化剂)阴极三部分组成。镁是非常活泼的金属,在中性盐电解质中有很高的活性,适合用作中性盐电解液金属一空气电池的阳极材料。阴极氧化剂可以利用空气或者是过氧化氢。目前的研究主要是
2、中性盐电解质镁-空气燃料电池和镁-过氧化氢燃料电池系统。1.1 镁-空气燃料电池的工作原理W1镁一气W料电池的不宜图Fip.lSimplilkd百ofrlue1cell来1中性融电解质,等空气蠕料电池放电反应Tab1Reactionmeartanismerfne-utrallectroyteMg-airfuelcellQ4-Mi*My+-2cV,Cath4hJcrciicLkih。+2.+4-4OH4J.4HVU池3,iejcIbainMi-+1总O7+H#CT7V图1为镁-空气燃料电池的示意图。中性盐条件下镁一空气燃料电池的放电反应机理如表1所示。镁一空气电池以空气中的氧作为活性物质,在放电
3、过程中,氧气在三相界面上被电化学催化还原为氢氧根离子,同时金属镁阳极发生氧化反应。在放电过程中,镁阳极还会与电解液发生自腐蚀反应,产生氢氧化镁和氢气。因此降低了镁阳极的库仑效率,使得镁一空气电池性能降低,在实际应用中,开路电压约为16V。1.2 镁一过氧化氢燃料电池的工作原理ilVLlKrtA5M2挽-过腐化班梯料中池汽。网Fig2Siinplilied式heiti虱Lc口ftnajuicimn-tiydrogciLpemhid匕tkuIcell表2中性fit电解质犊过或化氢燃料电池的放电反应Tab2ReactionmechanismofneutraIelecirolyteMg-HsOsfue
4、lcell团横F二;冉Mt5一:Mg-2ci.i7v,根口:MCaihmlejcaurllohH47-+HyO+*c-tiOEi-411KKVl!也)工产;WholeLlhnMg+HQ7十HtV-Mga+JOH-+X25V表3中性砧电解质建过氧化氢燃料电池的寄生反应Tab一3Parasitici金action13fn&utrzl电ledrolyteMg-HiSftj削cell寸解iM口Enni产求ilkinncKtin2H衣2HQ*%*工D-cpe-ihitioiireactionMh+!OH*%21()方*XkCOqJZiI;I、Hydwfcencvf-JutaanreactionMb?HN
5、J-U剜QHi产Urt镁-过氧化氢燃料电池系统的示意图如图2所示。镁-过氧化氢燃料电池是镁一空气(氧)燃料电池的一个分支。在中性盐电解质中,镁一过氧化氢燃料电池的放电反应机理如表2所示。同时,在放电反应过程中,存在着几个附加反应,如表3所示。由于过氧化氢分解、沉淀物产生以及镁阳极的自腐蚀等附加反应的存在,使得电池的理论开路电压与电化学性能降低。在镁一过氧化氢燃料电池系统中,为了溶解氢氧化镁和碳酸镁等固体沉淀物,在电解质中加人少量的酸性电解液,可以减小放电反应阻力,使理论电池电压从3.25V升高到4.14V,对电池性能有很大的提高,放电反应机理如表4所示。*4IR性条件下琵-过量化氢炮料电池的放
6、电反应Tat.4ReactionmechanismofacidelectrolyteMg-HOsfuelcell?l极liftAnodeicdlLionMi:1c.L3TV阳出反ifLberarravbycloctrotaticHocking3电解质与添加剂与锌、铝相比,镁是最活泼的金属,在中性盐电解质中有很高的活性,当前镁燃料电池主要是采用中性盐或海水作为电解液。一般工业镁合金用作电池阳极材料时,由于自腐蚀速度大、阳极利用率低,尤其是阳极极化严重等原因,使得其工作电位难以满足盐水激活电池用负极材料的工程技术要求。另外,反应腐蚀产物附着在镁合金阳极表面,阻止了电化学反应的进行,电池性能降低。因
7、此,一方面需要在电解液中添加氢抑制剂,以降低过电势和自腐蚀性,减小自腐蚀速度、提高镁合金阳极利用率,另一方面添加破坏镁的腐蚀产物膜结构的活化剂,促进腐蚀产物的脱落、活化镁负极、提高电池性能。目前应用的氢抑制剂有锡酸盐、二硫代缩二尿和季钱盐等单一抑制剂,或是几种成分构成的复合型抑制剂。对AZ31镁合金阳极,采用季钱盐和锡酸盐的复合抑制剂可使阳极效率达到90蛆上,比未添加抑制剂时提高13%电池电压升高5%但是,在需要长时间待命使用情况下,镁合金的自腐蚀仍然很严重,不能满足要求。目前针对镁燃料电池的活化剂和抑制剂的作用机理研究报道极少。4镁燃料电池的应用早在60年代,美国GE公司就对中性盐镁燃料电池
8、进行了研究。近年来,由于科学技术的进步,军事对高能电池的渴求,以及海洋资源开发的需要等,高性能镁燃料电池成为人们研究的热点之一,并取得了较大进展。4.1可移动电子设备电源随着社会进步与科技发展,笔记本电脑,移动电话,数码相机,摄像机等,高技术产品迅速普及,使得人们对可移动电源的需求量日益增加。Trimol公司预测,未来几年金属空气燃料电池将在手机、便携式摄像机和笔记本电脑市场占有一定的份额。由于镁一空气燃料电池,采用中性盐电解液,避免了腐蚀性碱性溶液对身体的危害,因此,适合应用于可移动电子装置民用电源。FreenvoltPower公司(GP)开发了镁/盐水/空气(MASwFC燃料电池,其MAs
9、wFCJ术有可能使电池缩小到适合便携电子设备应用的尺寸。4.2自主式潜航器电源镁一过氧化氢燃料电池采用中性盐或海水电解质溶液,具有质量轻、环境友好,价格便宜等优点,能够作为低功率、长寿命的无人水下运行器的高能量电源。美国海底战事中心(NavalUnderseaWarfareCenter)与麻省大学(UniversityofMassachusettsoartmouth)以及BAEsystems公司共同研制成功了用于自主式潜航器的镁一过氧化氢燃料电池系统(Au-tonomousunderwatervehicles,AUVs)。该电池采用海水作电解质,镁合金作阳极材料,液态过氧化氢作阴极氧化剂。该电
10、池提供了一个成本较低并且更为安全的高能动力,是低速率、长寿命的自主式潜航器的理想驱动电源。4.3海洋水下仪器电源20世纪90年代初,Westinghouse公司研制出了海洋应用的圆柱型海水电解质镁/空气燃料电池。1996年,挪威与意大利共同开发了镁燃料电池,并且应用于180m深的海底油井或气井探测的海洋水下自动控制系统。该海水电池采用商业镁合金作阳极,海水作电解质,海水中溶解的氧为氧化剂,阴极用碳纤维制造。这个电池系统电池为开放结构,由六个两米高的海水电池组成,放置在一个耐腐蚀和耐高压的不锈钢结构壳体中,能量达到650kwh,系统设计寿命为15a。4.4备用电源镁一空气燃料电池可作为医院、学校备用电源、应急电源等,在备用时,可以干态长时间搁置,需要时,加人电解液即可应用。目前,力口拿大GreenvoltPower公司(GP)研制出100wWF口300W级白镁/盐水/空气燃料电池(MAswFC)能量密度是车酸电池的20倍以上,可为电视、照明灯、便携电脑、手机及Gps等设备供电。加拿大Magpowersystems公司研制的盐水电解质镁/空气燃料电池,能连续提供300W的功率,成功应用于偏远地区水净化系统水泵的供电。5结束语镁燃料
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