鎂燃料電池的發(fā)展及應(yīng)用

1、鎂燃料電池的發(fā)展及應(yīng)用鎂燃料電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來(lái)源豐富、成本低、燃料易于貯運(yùn)、可使用溫度范圍寬（-2080C）及污染小等特點(diǎn)。作為一種高能化學(xué)電源，在可移動(dòng)電子設(shè)備電源、自主式潛航器電源、海洋水下儀器電源和備用電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。1鎂燃料電池的工作原理鎂燃料電池（Magnesiumfuelcell，又稱Magnesiumsemifuelcell）主要由鎂合金陽(yáng)極，中性鹽電解質(zhì)和空氣（氧氣或其它氧化劑）陰極三部分組成。鎂是非?；顫姷慕饘?，在中性鹽電解質(zhì)中有很高的活性，適合用作中性鹽電解液金屬一空氣電池的陽(yáng)極材料。陰極氧化劑可以利用空氣或者是過(guò)氧化氫。目前的研究主要是

2、中性鹽電解質(zhì)鎂-空氣燃料電池和鎂-過(guò)氧化氫燃料電池系統(tǒng)。1.1 鎂-空氣燃料電池的工作原理W1鎂一氣W料電池的不宜圖Fip.lSimplilkd百ofrlue1cell來(lái)1中性融電解質(zhì)，等空氣蠕料電池放電反應(yīng)Tab1Reactionmeartanismerfne-utrallectroyteMg-airfuelcellQ4-Mi*My+-2cV,Cath4hJcrciicLkih。+2.+4-4OH4J.4HVU池3,iejcIbainMi-+1總O7+H#CT7V圖1為鎂-空氣燃料電池的示意圖。中性鹽條件下鎂一空氣燃料電池的放電反應(yīng)機(jī)理如表1所示。鎂一空氣電池以空氣中的氧作為活性物質(zhì)，在放電

3、過(guò)程中，氧氣在三相界面上被電化學(xué)催化還原為氫氧根離子，同時(shí)金屬鎂陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)。在放電過(guò)程中，鎂陽(yáng)極還會(huì)與電解液發(fā)生自腐蝕反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧化鎂和氫氣。因此降低了鎂陽(yáng)極的庫(kù)侖效率，使得鎂一空氣電池性能降低，在實(shí)際應(yīng)用中，開路電壓約為16V。1.2 鎂一過(guò)氧化氫燃料電池的工作原理ilVLlKrtA5M2挽-過(guò)腐化班梯料中池汽。網(wǎng)Fig2Siinplilied式heiti虱Lc口ftnajuicimn-tiydrogciLpemhid匕tkuIcell表2中性fit電解質(zhì)犢過(guò)或化氫燃料電池的放電反應(yīng)Tab2ReactionmechanismofneutraIelecirolyteMg-HsOsfue

4、lcell團(tuán)橫F二；冉Mt5一：Mg-2ci.i7v，根口:MCaihmlejcaurllohH47-+HyO+*c-tiOEi-411KKVl!也）工產(chǎn)；WholeLlhnMg+HQ7十HtV-Mga+JOH-+X25V表3中性砧電解質(zhì)建過(guò)氧化氫燃料電池的寄生反應(yīng)Tab一3Parasitici金action13fn&utrzl電ledrolyteMg-HiSftj削cell寸解iM口Enni產(chǎn)求ilkinncKtin2H衣2HQ*%*工D-cpe-ihitioiireactionMh+!OH*%21()方*XkCOqJZiI；I、Hydwfcencvf-JutaanreactionMb?HN

5、J-U剜QHi產(chǎn)Urt鎂-過(guò)氧化氫燃料電池系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。鎂-過(guò)氧化氫燃料電池是鎂一空氣（氧）燃料電池的一個(gè)分支。在中性鹽電解質(zhì)中，鎂一過(guò)氧化氫燃料電池的放電反應(yīng)機(jī)理如表2所示。同時(shí)，在放電反應(yīng)過(guò)程中，存在著幾個(gè)附加反應(yīng)，如表3所示。由于過(guò)氧化氫分解、沉淀物產(chǎn)生以及鎂陽(yáng)極的自腐蝕等附加反應(yīng)的存在，使得電池的理論開路電壓與電化學(xué)性能降低。在鎂一過(guò)氧化氫燃料電池系統(tǒng)中，為了溶解氫氧化鎂和碳酸鎂等固體沉淀物，在電解質(zhì)中加人少量的酸性電解液，可以減小放電反應(yīng)阻力，使理論電池電壓從3.25V升高到4.14V,對(duì)電池性能有很大的提高，放電反應(yīng)機(jī)理如表4所示。*4IR性條件下琵-過(guò)量化氫炮料電池的放

6、電反應(yīng)Tat.4ReactionmechanismofacidelectrolyteMg-HOsfuelcell?l極liftAnodeicdlLionMi：1c.L3TV陽(yáng)出反ifLberarravbycloctrotaticHocking3電解質(zhì)與添加劑與鋅、鋁相比，鎂是最活潑的金屬，在中性鹽電解質(zhì)中有很高的活性，當(dāng)前鎂燃料電池主要是采用中性鹽或海水作為電解液。一般工業(yè)鎂合金用作電池陽(yáng)極材料時(shí)，由于自腐蝕速度大、陽(yáng)極利用率低，尤其是陽(yáng)極極化嚴(yán)重等原因，使得其工作電位難以滿足鹽水激活電池用負(fù)極材料的工程技術(shù)要求。另外，反應(yīng)腐蝕產(chǎn)物附著在鎂合金陽(yáng)極表面，阻止了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電池性能降低。因

7、此，一方面需要在電解液中添加氫抑制劑，以降低過(guò)電勢(shì)和自腐蝕性，減小自腐蝕速度、提高鎂合金陽(yáng)極利用率，另一方面添加破壞鎂的腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)的活化劑，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的脫落、活化鎂負(fù)極、提高電池性能。目前應(yīng)用的氫抑制劑有錫酸鹽、二硫代縮二尿和季錢鹽等單一抑制劑，或是幾種成分構(gòu)成的復(fù)合型抑制劑。對(duì)AZ31鎂合金陽(yáng)極，采用季錢鹽和錫酸鹽的復(fù)合抑制劑可使陽(yáng)極效率達(dá)到90蛆上，比未添加抑制劑時(shí)提高13%電池電壓升高5%但是，在需要長(zhǎng)時(shí)間待命使用情況下，鎂合金的自腐蝕仍然很嚴(yán)重，不能滿足要求。目前針對(duì)鎂燃料電池的活化劑和抑制劑的作用機(jī)理研究報(bào)道極少。4鎂燃料電池的應(yīng)用早在60年代，美國(guó)GE公司就對(duì)中性鹽鎂燃料電池

8、進(jìn)行了研究。近年來(lái)，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，軍事對(duì)高能電池的渴求，以及海洋資源開發(fā)的需要等，高性能鎂燃料電池成為人們研究的熱點(diǎn)之一，并取得了較大進(jìn)展。4.1可移動(dòng)電子設(shè)備電源隨著社會(huì)進(jìn)步與科技發(fā)展，筆記本電腦，移動(dòng)電話，數(shù)碼相機(jī)，攝像機(jī)等，高技術(shù)產(chǎn)品迅速普及，使得人們對(duì)可移動(dòng)電源的需求量日益增加。Trimol公司預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年金屬空氣燃料電池將在手機(jī)、便攜式攝像機(jī)和筆記本電腦市場(chǎng)占有一定的份額。由于鎂一空氣燃料電池，采用中性鹽電解液，避免了腐蝕性堿性溶液對(duì)身體的危害，因此，適合應(yīng)用于可移動(dòng)電子裝置民用電源。FreenvoltPower公司(GP)開發(fā)了鎂/鹽水/空氣(MASwFC燃料電池，其MAs

9、wFCJ術(shù)有可能使電池縮小到適合便攜電子設(shè)備應(yīng)用的尺寸。4.2自主式潛航器電源鎂一過(guò)氧化氫燃料電池采用中性鹽或海水電解質(zhì)溶液，具有質(zhì)量輕、環(huán)境友好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能夠作為低功率、長(zhǎng)壽命的無(wú)人水下運(yùn)行器的高能量電源。美國(guó)海底戰(zhàn)事中心(NavalUnderseaWarfareCenter)與麻省大學(xué)(UniversityofMassachusettsoartmouth)以及BAEsystems公司共同研制成功了用于自主式潛航器的鎂一過(guò)氧化氫燃料電池系統(tǒng)(Au-tonomousunderwatervehicles,AUVs)。該電池采用海水作電解質(zhì)，鎂合金作陽(yáng)極材料，液態(tài)過(guò)氧化氫作陰極氧化劑。該電

10、池提供了一個(gè)成本較低并且更為安全的高能動(dòng)力，是低速率、長(zhǎng)壽命的自主式潛航器的理想驅(qū)動(dòng)電源。4.3海洋水下儀器電源20世紀(jì)90年代初，Westinghouse公司研制出了海洋應(yīng)用的圓柱型海水電解質(zhì)鎂/空氣燃料電池。1996年，挪威與意大利共同開發(fā)了鎂燃料電池，并且應(yīng)用于180m深的海底油井或氣井探測(cè)的海洋水下自動(dòng)控制系統(tǒng)。該海水電池采用商業(yè)鎂合金作陽(yáng)極，海水作電解質(zhì)，海水中溶解的氧為氧化劑，陰極用碳纖維制造。這個(gè)電池系統(tǒng)電池為開放結(jié)構(gòu)，由六個(gè)兩米高的海水電池組成，放置在一個(gè)耐腐蝕和耐高壓的不銹鋼結(jié)構(gòu)殼體中，能量達(dá)到650kwh,系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為15a。4.4備用電源鎂一空氣燃料電池可作為醫(yī)院、學(xué)校備用電源、應(yīng)急電源等，在備用時(shí)，可以干態(tài)長(zhǎng)時(shí)間擱置，需要時(shí)，加人電解液即可應(yīng)用。目前，力口拿大GreenvoltPower公司(GP)研制出100wWF口300W級(jí)白鎂/鹽水/空氣燃料電池(MAswFC)能量密度是車酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機(jī)及Gps等設(shè)備供電。加拿大Magpowersystems公司研制的鹽水電解質(zhì)鎂/空氣燃料電池，能連續(xù)提供300W的功率，成功應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)水凈化系統(tǒng)水泵的供電。5結(jié)束語(yǔ)鎂燃料