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第三章第三章燃料电池（燃料电池（Fuel cell )材料材料介绍内容介绍内容3.1，燃料电池介绍，燃料电池介绍3.2，质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池材料材料 3.3，碱性燃料电池，碱性燃料电池材料材料3.4，磷酸型燃料电池，磷酸型燃料电池材料材料3.5，直接醇类燃料电池，直接醇类燃料电池材料材料3.6，熔融熔融碳酸盐燃料电池碳酸盐燃料电池材料材料3.7，固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池材料材料3.8，金属，金属/空气燃料电池空气燃料电池材料材料3.9，燃料电池的应用与前景燃料电池的应用与前景3.1.燃料电池介绍燃料电池介绍3.1.1 简介简介 (1)什么是燃料电池？什么是燃料电池？简单地说，燃料电池简单地说，燃料电池1 1(Fuel Cell，简称，简称FC)是是一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置电能的电化学装置。 作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四种发电方式与火力发电水电和核电之后的第四种发电方式与火力发电相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程是直接方式，如图是直接方式，如图 1-1 所示所示传统技术传统技术热能热能 动能动能 电能电能 化学能化学能 图图1-1燃料电池直接发电与传统间接发电的比较燃料电池直接发电与传统间接发电的比较3.1.2 燃料电池的构造燃料电池的构造燃料电池燃料电池 阴极阴极 阳极阳极 电解质电解质 典型的燃料电池的构造典型的燃料电池的构造如右下图所示如右下图所示在阳极（负极）在阳极（负极）上连续吹充气态燃料，如上连续吹充气态燃料，如2氢气在阴极（正极）上连氢气在阴极（正极）上连续吹充氧气（或由空气提供），这样就可以在电极上连续吹充氧气（或由空气提供），这样就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流由于电极上发生的反续发生电化学反应，并产生电流由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，应大多为多相界面反应， 为提高反应速率，电极为提高反应速率，电极 一般采用多孔材料各一般采用多孔材料各 种燃料电池的材料也都种燃料电池的材料也都 有各自的特点有各自的特点燃料电池的基本反应燃料电池的基本反应3.1.3 燃料电池燃料电池( (Fuel Cell) )与电池（与电池（Battery) )的区别的区别（1）相同点：将化学能转变为电能的装置，有许多）相同点：将化学能转变为电能的装置，有许多 相似之处。相似之处。（2）不同点：燃料电池是能量转换装置）不同点：燃料电池是能量转换装置 电池是能量储存装置。电池是能量储存装置。 一次电池：化学能储存在电池物质中一次电池：化学能储存在电池物质中, 当电池放电电时当电池放电电时,电电池物质发生化学反应，直到反应物质全部反应消耗完毕，池物质发生化学反应，直到反应物质全部反应消耗完毕，电池就再也发不出电了所以原电池所发出的最大电能等电池就再也发不出电了所以原电池所发出的最大电能等于参与电化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能于参与电化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能 二次电池：利用外部供给的电能，使电池反应向逆方向进二次电池：利用外部供给的电能，使电池反应向逆方向进行，再生成电化学反应物质从能量角度看，就是将外部行，再生成电化学反应物质从能量角度看，就是将外部能量充给电池，使其再发电，实现反复使用的功能能量充给电池，使其再发电，实现反复使用的功能燃料电池：从理论上讲燃料电池：从理论上讲, 只要不断向其供给燃料只要不断向其供给燃料(阳极反应物质，如阳极反应物质，如H2), 及氧化剂及氧化剂(阴极反应物阴极反应物质，如质，如O23)，就可以连续不断地发电，就可以连续不断地发电,因而其容量是无限的因而其容量是无限的. 实际上，由于元件老化和故障等原因，燃料电池有一定的实际上，由于元件老化和故障等原因，燃料电池有一定的寿命寿命 严格地讲，燃料电池是电化学能量发严格地讲，燃料电池是电化学能量发生器，是以化学反应发电；一次电池是电生器，是以化学反应发电；一次电池是电化学能量生产装置，可一次性将化学能转化学能量生产装置，可一次性将化学能转变成电能；二次电池是电化学能量的储存变成电能；二次电池是电化学能量的储存装置，可将化学反应能与电能可逆转换。装置，可将化学反应能与电能可逆转换。3.1.4 燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理 虽然燃料电池的种类虽然燃料电池的种类很多很多并并且不同类型的燃料电池的电极反应且不同类型的燃料电池的电极反应各有不同，但都是由阴极各有不同，但都是由阴极阳极阳极电解质这几个基本单元构成，其工电解质这几个基本单元构成，其工作原理是一致的。作原理是一致的。 燃料气（氢气燃料气（氢气甲烷等）在阳极催化剂的作甲烷等）在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子；用下发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子；氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发生还原反应，得到电子并产生阴离子；阳极产生生还原反应，得到电子并产生阴离子；阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导电而的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导电而电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极上，生成反应产物并随未反应完全的反应物一起上，生成反应产物并随未反应完全的反应物一起排到电池外，与此同时，电子通过外电路由阳极排到电池外，与此同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反应过程达到物质的平衡与运动到阴极，使整个反应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，外部用电器就获得了燃料电池所提电荷的平衡，外部用电器就获得了燃料电池所提供的电能。供的电能。 下面以简单的酸性电解质氢氧燃料电池为例说明燃料下面以简单的酸性电解质氢氧燃料电池为例说明燃料电池的工作原理。电池的工作原理。 氢气作为燃料被通入燃料电池的阳极，发生如下氧化氢气作为燃料被通入燃料电池的阳极，发生如下氧化电极反应电极反应 H2 + 2H2O 2H3O+ + 2e- 氢气在催化剂上被氧化成质子，与水分子结合成水合氢气在催化剂上被氧化成质子，与水分子结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。质子，同时释放出两个自由电子。 电子通过电子导电的阳极向阴极方向运动，而水合质电子通过电子导电的阳极向阴极方向运动，而水合质子则通过酸性电解质往阴极方向传递。在阴极上，氧气在子则通过酸性电解质往阴极方向传递。在阴极上，氧气在电极上被还原，发生如下电极反应电极上被还原，发生如下电极反应 O2 + 4H3O+ + 4e- 6H2O 氧气分子在催化剂的作用下，结合从电解质传递过来氧气分子在催化剂的作用下，结合从电解质传递过来的水合质子以及外电路传递过来的电子，生成水分子。总的水合质子以及外电路传递过来的电子，生成水分子。总的电池反应为：的电池反应为： 2H2 + O2 2H2O 从此可以看出，燃料电池是一个能量转化装从此可以看出，燃料电池是一个能量转化装置，只要外界源源不断地提供燃料和氧化剂，燃置，只要外界源源不断地提供燃料和氧化剂，燃料电池就能持续发电。料电池就能持续发电。 从根本上讲，燃料电池与普通一次电池一样，从根本上讲，燃料电池与普通一次电池一样，是使电化学反应的两个电极半反应分别在阴极和是使电化学反应的两个电极半反应分别在阴极和阳极上发生，从而在外电路产生电流来发电的。阳极上发生，从而在外电路产生电流来发电的。所不同的是，普通一次电池，例如锌锰电池，是所不同的是，普通一次电池，例如锌锰电池，是一个封闭体系，与外界只有能量交换而没有物质一个封闭体系，与外界只有能量交换而没有物质交换。换句话说，电池本身既作为能量的转换场交换。换句话说，电池本身既作为能量的转换场所也同时作为电极物质的储存容器，所也同时作为电极物质的储存容器， 当反应物消耗完时电池也就不能继续提当反应物消耗完时电池也就不能继续提供电能了。而燃料电池是一个敞开体系，供电能了。而燃料电池是一个敞开体系，与外界不仅有能量的交换，也存在物质的与外界不仅有能量的交换，也存在物质的交换。外界为燃料电池提供反应所需的物交换。外界为燃料电池提供反应所需的物质，并带走反应产物。从这种意义上讲，质，并带走反应产物。从这种意义上讲，某些类型的电池也具有类似燃料电池的特某些类型的电池也具有类似燃料电池的特征，例如锌空电池，空气征，例如锌空电池，空气4由大气提供，不由大气提供，不 断更换锌电极可以使电池持续工作。断更换锌电极可以使电池持续工作。 3.1.5 燃料电池的类型和各类型的特点燃料电池的类型和各类型的特点 燃料电池的种类很多，分类方法燃料电池的种类很多，分类方法也有多种。表也有多种。表5-1的分类方式概括了所的分类方式概括了所有类型的燃料电池。有类型的燃料电池。表表5-1 燃料电池分类燃料电池分类 直接型直接型 间接型间接型 再生型再生型（产物再生产物再生为反应物）为反应物） 低温低温(200) 中温中温(200750) 高温高温(750)重整型重整型 生化生化型型氢氢-氧氧有机物有机物-氧氧氮化物氮化物-氧氧金属金属-氧氧氢氢-卤素卤素金属金属-卤素卤素氢氢-氧氧有机物有机物-氧氧氨氨-氧氧氢氢-氧氧CO-氧氧天然气天然气石油石油甲醇甲醇乙醇乙醇煤煤氨氨葡萄葡萄糖糖碳水碳水化化合物合物尿素尿素热再生热再生充电再生充电再生光化学再生光化学再生放射化学再放射化学再生生燃燃料料电电池池碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC）H2/O2质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 直接甲醇燃料电池（直接甲醇燃料电池（DMFC）表表5-2 五种燃料电池特点五种燃料电池特点 种种 类类AFC PAFCMCFCSOFC PEMFC电电解解质质电解质电解质KOHH3PO4LiCO3,K2CO3ZrO2+Y2O3离子交换膜离子交换膜（特别是阳离（特别是阳离子交换膜）子交换膜）工作温工作温度范围度范围低于低于260190210600700 约约1000 约约85 腐蚀腐蚀性性 中中 强强 强强 无无 无无氧化剂氧化剂纯氧纯氧空气空气极板材料极板材料镍镍石墨石墨镍，镍，不锈钢不锈钢陶瓷陶瓷石墨，金属石墨，金属 种种 类类 AFC PAFC MCFC SOFCPEMFC催化剂催化剂 阳阳/ /阴极阴极镍镍/银系银系铂系铂系镍镍/氧化氧化镍镍镍镍LaMnO3 或或LaCoO3铂系铂系燃燃 料料电解电解纯氢纯氢天然气，天然气，轻质油，轻质油，甲醇等重甲醇等重整气整气天然气，天然气，甲醇等重甲醇等重整气，煤整气，煤气气天然气，天然气，甲醇，煤甲醇，煤气气天然气，甲天然气，甲醇等醇等重整气重整气发电效率发电效率 4550 4045506555703040表表5-2 五种燃料电池特点五种燃料电池特点优优 点点启动快；启动快；室温常室温常压下工压下工作作对对CO2 不不敏感；成敏感；成本相对较本相对较低低空气做氧空气做氧化剂化剂、天天然气或甲然气或甲烷做燃料烷做燃料空气做氧空气做氧化剂化剂、天天然气或甲然气或甲烷做燃料烷做燃料空气做氧化空气做氧化剂；固体电剂；固体电解质；室温解质；室温工作；启动工作；启动迅速迅速种类种类 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC可应可应用领用领域域航天，特航天，特殊地面，殊地面，广泛广泛特殊需求，特殊需求，区域供电区域供电区域供电，区域供电，联合发电联合发电区域供电区域供电电汽车，潜电汽车，潜艇，可移动艇，可移动动力源动力源缺缺 点点 需以纯氧需以纯氧做氧化剂；做氧化剂；成本高成本高对对CO敏敏感；感；启动慢；启动慢；成本高成本高工作温度工作温度较高较高工作温度过工作温度过高高对对CO非常非常敏感；敏感；反应物需要反应物需要加湿加湿表表5-2 五种燃料电池特点五种燃料电池特点燃燃料料电电池池工工 作作温温 度度低温燃料电池低温燃料电池 高温燃料电池高温燃料电池 AFCPEMFC PAFC MCFC SOFC 几种特殊类型的燃料电池几种特殊类型的燃料电池直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)再生燃料电池再生燃料电池(RFC)直接碳燃料电池直接碳燃料电池(DCFC)特特殊殊燃燃料料电电池池几种特殊类型的燃料电池几种特殊类型的燃料电池直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)再生燃料电池再生燃料电池(RFC)直接碳燃料电池直接碳燃料电池(DCFC)特特殊殊燃燃料料电电池池燃料是液态的燃料是液态的甲醇，发展迅甲醇，发展迅速，商业潜力速，商业潜力大大几种特殊类型的燃料电池几种特殊类型的燃料电池直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)再生燃料电池再生燃料电池(RFC)直接碳燃料电池直接碳燃料电池(DCFC)特特殊殊燃燃料料电电池池以氢为基础的利以氢为基础的利用可再生能源的用可再生能源的闭合循环发电系闭合循环发电系统统 几种特殊类型的燃料电池几种特殊类型的燃料电池直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)再生燃料电池再生燃料电池(RFC)直接碳燃料电池直接碳燃料电池(DCFC)特特殊殊燃燃料料电电池池唯一使用固唯一使用固体燃料的燃体燃料的燃料电池料电池3.1.6 燃料电池的特性燃料电池的特性特特性性优点优点存在存在问题问题燃料来源广泛燃料来源广泛高效率高效率可靠性高可靠性高良好的环境效应良好的环境效应良好的操作性能良好的操作性能灵活性高灵活性高发展潜力大发展潜力大( (1) 1) 高效率高效率 在燃料电池中在燃料电池中,燃料不是被燃烧变为热能燃料不是被燃烧变为热能,而而是直接发电是直接发电, 不受卡诺热机效率的限制不受卡诺热机效率的限制。理论上理论上讲，燃料电池可将燃料能量的讲，燃料电池可将燃料能量的90%转化为可利用转化为可利用的电和热，实际效率可望在的电和热，实际效率可望在80%以上以上 。这样的高。这样的高效率是史无前例的。效率是史无前例的。 燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。 封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换, 比能量不会比能量不会随时间变化随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延随着时间延长长,其输出能量也越多。其输出能量也越多。 燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的同时可产生热水和蒸汽。其电热输出比约为同时可产生热水和蒸汽。其电热输出比约为1.0，而汽轮，而汽轮机为机为0.5。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为燃烧发电机的燃烧发电机的2倍。倍。 （2 2）可靠性）可靠性 与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠；动部件很少，因而系统更加安全可靠；电池组合是模块结电池组合是模块结构构, , 维修方便；处于额定功率以上过载运行时维修方便；处于额定功率以上过载运行时, ,它也能承它也能承受而效率变化不大；当负载有变化时受而效率变化不大；当负载有变化时, ,它的响应速度也快。它的响应速度也快。燃料电池系统发生的惟一事故就是效率降低。燃料电池系统发生的惟一事故就是效率降低。（3 3）良好的环境效益）良好的环境效益 当今世界的环境问题已经威胁到了人类的生存和发展。当今世界的环境问题已经威胁到了人类的生存和发展。据统计，本世纪经历了两次世界大战，但是因为环境污染据统计，本世纪经历了两次世界大战，但是因为环境污染造成的死亡人数却超过了战争的死亡人数。而环境污染的造成的死亡人数却超过了战争的死亡人数。而环境污染的发生，大多数是由于燃料的使用，尤其是各种燃料的燃烧发生，大多数是由于燃料的使用，尤其是各种燃料的燃烧过程。因而，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源过程。因而，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源技术。而燃料电池正是符合结构问题，研究开发清洁能源技术。而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。这一环境需求的高效洁净能源。 燃料电池发电厂排放的气体污染物仅为最严格的环境燃料电池发电厂排放的气体污染物仅为最严格的环境标准的十分之一，温室气体标准的十分之一，温室气体CO2的的排放量也远小于火力发排放量也远小于火力发电厂。燃料电池中燃料的电化学反应副产物是水，其量极电厂。燃料电池中燃料的电化学反应副产物是水，其量极少，而且比一般火力发电厂排放的要清洁得多。因而，燃少，而且比一般火力发电厂排放的要清洁得多。因而，燃料电池不仅消除或减少了水污染问题，也无需设置废气控料电池不仅消除或减少了水污染问题，也无需设置废气控制系统。制系统。 燃料电池发电厂没有火力发电厂那样的噪声源，因而燃料电池发电厂没有火力发电厂那样的噪声源，因而工作环境非常安静；不产生大量废弃物，因而占地面积也工作环境非常安静；不产生大量废弃物，因而占地面积也少。少。 燃料电池是各种能量转换装置中危险性最小的。这是燃料电池是各种能量转换装置中危险性最小的。这是因为它规模小，无燃烧循环系统，污染物排放量极少。因为它规模小，无燃烧循环系统，污染物排放量极少。 燃料电池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜燃料电池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜力的主要原因。力的主要原因。 （4 4） 良好的操作性能良好的操作性能 燃料电池具有其它技术无可比拟的优良的操作性能，节省了燃料电池具有其它技术无可比拟的优良的操作性能，节省了运行费用。其发电系统对负载变动的响应速度快，无论处于额定运行费用。其发电系统对负载变动的响应速度快，无论处于额定功率以上的过载运行或低于额定功率的低载运行，它都能承受，功率以上的过载运行或低于额定功率的低载运行，它都能承受，并且发电效率波动不大，供电稳定性高。并且发电效率波动不大，供电稳定性高。 （5 5） 灵活性灵活性 燃料电池发电厂可在燃料电池发电厂可在2年内建成投产，其效率与规模无关，年内建成投产，其效率与规模无关，可根据用户需求而增减发电容量。这对电力公司和用户来说是最可根据用户需求而增减发电容量。这对电力公司和用户来说是最关键的因素及经济利益所在。关键的因素及经济利益所在。 燃料电池发电系统是全自动运行，机械运动部件很少维护简燃料电池发电系统是全自动运行，机械运动部件很少维护简单，费用低，适合用做偏远地区单，费用低，适合用做偏远地区环境恶劣以及特殊场合（如空环境恶劣以及特殊场合（如空间站和航天飞机）的电源。间站和航天飞机）的电源。 燃料燃料电池电站采用模块结构，由工厂生产各种模块，在电电池电站采用模块结构，由工厂生产各种模块，在电站现场集成，安装，施工简单，可靠性高，并且模块容易更换，站现场集成，安装，施工简单，可靠性高，并且模块容易更换，维修方便。维修方便。 （6 6）燃料来源广泛）燃料来源广泛 燃料电池可以使用多种初级燃料，如天然气燃料电池可以使用多种初级燃料，如天然气煤气煤气甲醇甲醇乙醇乙醇汽油，也可以使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐汽油，也可以使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤煤废木废木废纸，甚至城市垃圾，当然这些燃料需经过重整处废纸，甚至城市垃圾，当然这些燃料需经过重整处理后才能使用。理后才能使用。（7 7）发展潜力）发展潜力 燃料电池在效率上的突破，使其可与所有的传统发电技术燃料电池在效率上的突破，使其可与所有的传统发电技术竞争。作为正在发展的技术，磷酸燃料电池已有了令人鼓舞的竞争。作为正在发展的技术，磷酸燃料电池已有了令人鼓舞的进展。熔盐碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，将在未来进展。熔盐碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，将在未来1520年年内产生飞跃性进步。而其它传统的发电技术，如汽轮内产生飞跃性进步。而其它传统的发电技术，如汽轮机机内燃机等，由于价格内燃机等，由于价格污染等问题，其发展似乎走到了尽污染等问题，其发展似乎走到了尽头。头。3.1.6 燃料电池的特性燃料电池的特性特特性性优点优点存在存在问题问题市场价格昂贵市场价格昂贵高温时寿命及高温时寿命及稳定性不理想稳定性不理想燃料电池技燃料电池技术不够普及术不够普及没有完善的燃没有完善的燃料供应体系料供应体系3.1.7 燃料电池的应用燃料电池的应用 燃料电池可以作为宇宙飞船，人造卫星，宇燃料电池可以作为宇宙飞船，人造卫星，宇宙空间站等航天系统的能源，也可以用于并网发宙空间站等航天系统的能源，也可以用于并网发电的高效电站；它可以作为大型厂矿的独立供电电的高效电站；它可以作为大型厂矿的独立供电系统，也可作为城市工业区，繁华商业区，高层系统，也可作为城市工业区，繁华商业区，高层建筑物，边远地区和孤立海岛的小型供电站，此建筑物，边远地区和孤立海岛的小型供电站，此外，它还能用于大型通信设备和家庭的备用电源外，它还能用于大型通信设备和家庭的备用电源以及交通工具的牵引动力等。以及交通工具的牵引动力等。 五种燃料电池各自处于不同的发展阶段。五种燃料电池各自处于不同的发展阶段。 AFC是最成熟的燃料电池技术，其应用领域主要在空是最成熟的燃料电池技术，其应用领域主要在空间技术方面。在欧洲，间技术方面。在欧洲，AFC在陆地上的应用一直没有间断。在陆地上的应用一直没有间断。 PAFC试验电厂的功率达到试验电厂的功率达到1.311MW，50250KW的工作电站已进入商业化阶段，但成本较高。的工作电站已进入商业化阶段，但成本较高。 MCFC和和SOFC被认为最适合供发电，被认为最适合供发电，MCFC试验电试验电厂的功率达到厂的功率达到MW级，几十至级，几十至250KW工作电站接近商业工作电站接近商业化。化。SOFC的研究开发仍处于起步阶段，功率小于的研究开发仍处于起步阶段，功率小于100KW。 PEMFC在在90年代发展很快，特别是作为便携式电源年代发展很快，特别是作为便携式电源和机动车电源，但目前的成本太高，还无法与传统电源竞和机动车电源，但目前的成本太高，还无法与传统电源竞争。争。 应用方面应用方面可移动电源可移动电源便携式电源便携式电源航空电源航空电源应急电源应急电源计算机电源计算机电源电动车电动车电动船电动船居民热居民热电联供电联供现场热现场热电联供电联供分散式电站分散式电站大型发电站大型发电站几瓦几瓦1KW5200KW200KW1MW220MW100-300MW3.1.8 燃料电池待开发的课题燃料电池待开发的课题 燃料电池还没有定型，人们改进燃料电池的热情一燃料电池还没有定型，人们改进燃料电池的热情一 直未减。新型直接甲醇燃料电池，高温质子交换膜燃料直未减。新型直接甲醇燃料电池，高温质子交换膜燃料 电池，低温固体氧化物燃料电池和微型燃料电池正在发电池，低温固体氧化物燃料电池和微型燃料电池正在发 展中，新技术展中，新技术新材料新材料新工艺不断涌现。燃料电池的新工艺不断涌现。燃料电池的 发展目标必须定位在投资成本能与其它发电方式竞争，发展目标必须定位在投资成本能与其它发电方式竞争， 而不是只是依靠高效率而不是只是依靠高效率低排放低排放安装维护简单安装维护简单可靠可靠 性好性好长寿命长寿命低污染低污染适应性强等优势去影响市场。适应性强等优势去影响市场。 待开发的课题待开发的课题具体见表具体见表8-1。表表8-1 燃料电池待开发的课题燃料电池待开发的课题种类种类 AFC PAFC MCFCSOFC PEMFC待开待开发的发的课题课题氧化剂中氧化剂中的的CO2使电使电解液劣化；解液劣化；水和热平水和热平衡控制；衡控制；纯氢燃料纯氢燃料利用技术利用技术的改进的改进廉价催廉价催化剂的化剂的开发或开发或铂使用铂使用量的降量的降低；延低；延长系统长系统寿命，寿命，降低成降低成本本提高工作提高工作压力；提压力；提高输出电高输出电流密度；流密度；延长电堆延长电堆寿命，降寿命，降低成本低成本改善电改善电池结构；池结构；优质耐优质耐热材料；热材料；电解质电解质薄膜化薄膜化提高电堆材提高电堆材料的性能和料的性能和寿命；开发寿命；开发大批量制作大批量制作技术；电池技术；电池热量和水的热量和水的管理；降低管理；降低铂使用量铂使用量3.2 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池关键部件关键部件双极板双极板膜电极膜电极质子交换膜质子交换膜电催化剂电催化剂 (1)概念概念 起支撑、集流、分割氧化剂与还原剂作起支撑、集流、分割氧化剂与还原剂作用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的导电隔板通称为双极板。面流动的导电隔板通称为双极板。3.2.1 双极板双极板（2）双极板的功能与特点双极板的功能与特点功功能能特特点点分割氧化剂分割氧化剂与还原剂与还原剂集流作用集流作用支撑膜电极、支撑膜电极、保持电池堆结保持电池堆结构稳定构稳定不能用多孔不能用多孔透气材料透气材料电的良导体电的良导体具有一定的强度具有一定的强度适应电池的工作适应电池的工作环境，具有抗腐环境，具有抗腐蚀能力蚀能力热的良导体热的良导体(3) 双极板的种类双极板的种类广广泛泛采采用用石墨板石墨板金属板金属板复合双极板复合双极板（a）石墨板石墨板石石墨墨板板无孔石墨板无孔石墨板注塑石墨板注塑石墨板无孔石墨板的优缺点无孔石墨板的优缺点优点优点化学稳定性好化学稳定性好电导率高电导率高阻气性能好阻气性能好缺点：比较脆，机械加工加大难度，缺点：比较脆，机械加工加大难度，成本提高。成本提高。 加拿大加拿大Ballard公司所发展的公司所发展的Mark500(5KW)、Mark513(10KW)和和Mark700(25-30KW)电池组均采电池组均采用无孔纯石墨双极板。用无孔纯石墨双极板。注塑石墨板注塑石墨板 主要采用石墨粉或炭粉与树脂（酚醛树脂、环氧主要采用石墨粉或炭粉与树脂（酚醛树脂、环氧树脂等）、导电胶黏剂相混合，有的还在混合物树脂等）、导电胶黏剂相混合，有的还在混合物中加入金属粉末、细金属网以增加其导电性，加中加入金属粉末、细金属网以增加其导电性，加入碳纤维、陶瓷纤维以增加其强度。入碳纤维、陶瓷纤维以增加其强度。 优点：降低了成本，缩短了生产周期。优点：降低了成本，缩短了生产周期。 Emanuelson将纯石墨粉和炭化热固化树脂各将纯石墨粉和炭化热固化树脂各50%混合注塑成所需的双极板，然后石墨化，得到混合注塑成所需的双极板，然后石墨化，得到3.8mm厚厚的石墨板，电阻率和纯石墨相比提高了的石墨板，电阻率和纯石墨相比提高了约约10倍，比较适合用于磷酸盐燃料电池和质子交倍，比较适合用于磷酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。该双极板化学稳定性好，降低了换膜燃料电池。该双极板化学稳定性好，降低了机加工费用。机加工费用。（b）金属板）金属板优点优点好的导电及热传导性能好的导电及热传导性能金属的气体不透过性使其成为阻隔氧金属的气体不透过性使其成为阻隔氧化剂和还原剂的理想材料化剂和还原剂的理想材料金属材料良好的机加工性能使得流金属材料良好的机加工性能使得流场的加工非常简单场的加工非常简单常用的金常用的金属双极板属双极板铝铝316#不锈钢不锈钢23钛钛5镍镍金属板金属板的制作的制作极板成型极板成型表面处理表面处理表面涂层表面涂层金属板的缺点金属板的缺点 缺点：金属材料耐腐蚀性能比较差，缺点：金属材料耐腐蚀性能比较差，满足不了燃料电池长期稳定运行的需要，满足不了燃料电池长期稳定运行的需要，表面钝化会导致双极板和膜电阻扩散层接表面钝化会导致双极板和膜电阻扩散层接触电阻增大，降低燃料电池输出功率。触电阻增大，降低燃料电池输出功率。（c）复合双极板）复合双极板复合双复合双极板极板金属基复合双极板金属基复合双极板碳基复合材料双极板碳基复合材料双极板3.2.2 质子交换膜质子交换膜 质子交换膜是质子交换膜是PEMFC的核心元件。燃料电池用的的核心元件。燃料电池用的质子交换膜的基本要求为：质子交换膜的基本要求为：（1）电导率高电导率高（高选择性地离子导电而非电子导电）（高选择性地离子导电而非电子导电）（2）化学稳定性好化学稳定性好（耐酸碱和抗氧化还原能力）（耐酸碱和抗氧化还原能力）（3）热稳定性好热稳定性好（4）良好的力学性能良好的力学性能（如强度和柔韧性）（如强度和柔韧性）（5）反应气体的透气率低反应气体的透气率低（6）水的电渗曳引系数小水的电渗曳引系数小（7）作为反应介质要有利于电极反应作为反应介质要有利于电极反应 （8）价格低廉价格低廉种类种类聚苯甲醛磺酸聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸全氟型磺酸种类种类聚苯甲醛磺酸聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸全氟型磺酸最初尝试，该膜最初尝试，该膜很脆，干燥时易很脆，干燥时易龟裂龟裂种类种类聚苯甲醛磺酸聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸全氟型磺酸较成功，较成功，60下使用寿命为下使用寿命为200小时小时种类种类聚苯甲醛磺酸聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸全氟型磺酸即即Nafion系列产品，系列产品，化学稳定性非常好，化学稳定性非常好，在燃料电池中使用在燃料电池中使用寿命超过寿命超过57000小小时时 种类种类聚苯甲醛磺酸聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸全氟型磺酸3.2.3 质子交换膜燃料电池电催化剂质子交换膜燃料电池电催化剂l质子膜燃料电池中，阳极的氢气或有机小分子电质子膜燃料电池中，阳极的氢气或有机小分子电氧化反应以及阴极的氧气还原反应，尽管在热力氧化反应以及阴极的氧气还原反应，尽管在热力学上是有利的，但由于其不良的动力学特征，特学上是有利的，但由于其不良的动力学特征，特别是有机小分子的氧化和氧气的还原总是在远离别是有机小分子的氧化和氧气的还原总是在远离平衡的高超电势下才可能发生，严重的降低了燃平衡的高超电势下才可能发生，严重的降低了燃料电池的能量效率。因此，必须寻找适当的电催料电池的能量效率。因此，必须寻找适当的电催化剂，以降低反应的活化能，从而使这类电极反化剂，以降低反应的活化能，从而使这类电极反应在平衡电势附近以高电流密度发生。应在平衡电势附近以高电流密度发生。l电催化剂表面的微观形貌和状态、在电解质中特电催化剂表面的微观形貌和状态、在电解质中特定化学环境下的稳定性以及反应物和产物在催化定化学环境下的稳定性以及反应物和产物在催化剂中的传质特性等也都会影响电催化剂的活性。剂中的传质特性等也都会影响电催化剂的活性。对电催化对电催化剂剂7的的要求要求l电催化活性高电催化活性高 耐受耐受CO等杂质及反应中间产等杂质及反应中间产物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料时，由物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料时，由于甲醇的渗透现象，还必须具有抗甲醇氧于甲醇的渗透现象，还必须具有抗甲醇氧化的能力。化的能力。l比表面积高比表面积高 使催化剂具有尽可能高的分散使催化剂具有尽可能高的分散度和高的比表面积，可以降低贵金属的用度和高的比表面积，可以降低贵金属的用量量l导电性能好导电性能好l稳定性能好稳定性能好 抗酸性腐蚀能力，表面保持稳抗酸性腐蚀能力，表面保持稳定定l适当的载体适当的载体载体的作用载体的作用： 一方面是作为惰性的支撑物将电催化剂固定一方面是作为惰性的支撑物将电催化剂固定在其表面，并将催化剂粒子物理地分开，避免它在其表面，并将催化剂粒子物理地分开，避免它们由于团聚而失效们由于团聚而失效； 另一方面有些载体另一方面有些载体（WC、WO3、导电聚合、导电聚合物）物）和催化剂之间存在着某种相互作用，能够通和催化剂之间存在着某种相互作用，能够通过修饰催化剂表面的电子状态，发生协同效应，过修饰催化剂表面的电子状态，发生协同效应，提高催化剂的活性和选择性。提高催化剂的活性和选择性。对电催化剂的要求对电催化剂的要求l电催化活性高电催化活性高 耐受耐受CO等杂质及反应中间产物的等杂质及反应中间产物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料时，由于甲醇的渗抗中毒能力；使用甲醇作燃料时，由于甲醇的渗透现象，还必须具有抗甲醇氧化的能力。透现象，还必须具有抗甲醇氧化的能力。l比表面积高比表面积高 使催化剂具有尽可能高的分散度和高使催化剂具有尽可能高的分散度和高的比表面积，可以降低贵金属的用量的比表面积，可以降低贵金属的用量l导电性能好导电性能好l稳定性能好稳定性能好 抗酸性腐蚀能力，表面保持稳定抗酸性腐蚀能力，表面保持稳定l适当的载体适当的载体 电催化剂的载体对电催化活性具有电催化剂的载体对电催化活性具有很大的影响，必须具有良好的导电性和抗电解质很大的影响，必须具有良好的导电性和抗电解质的腐蚀性。的腐蚀性。 质质子膜燃料电池中，子膜燃料电池中，Pt基催化剂基催化剂仍是目前性能最好的阳极或阴极电催仍是目前性能最好的阳极或阴极电催化剂。为了减少化剂。为了减少Pt的用量和提高利用的用量和提高利用率，催化剂采用的是具有纳米级金属率，催化剂采用的是具有纳米级金属粒子的负载型催化剂。常用的载体是粒子的负载型催化剂。常用的载体是Vulcan XC-72炭黑，同时采用碳纳米炭黑，同时采用碳纳米管或纳米碳纤维等新型碳材料以及导管或纳米碳纤维等新型碳材料以及导电聚合物作为电聚合物作为Pt催化剂载体。催化剂载体。电催化剂的制备方法电催化剂的制备方法制备方法制备方法胶体法胶体法化学还原法化学还原法浸渍法浸渍法Adams法法离子交换法离子交换法金属络合物胶体法金属络合物胶体法真空溅射法真空溅射法高能球磨法高能球磨法 各种方法具有其优缺点。但最各种方法具有其优缺点。但最近近Rolision等指出，与化学还原法等指出，与化学还原法和浸渍法相比较，胶体法制备的碳和浸渍法相比较，胶体法制备的碳载载Pt基催化剂可能具有更高的贵金基催化剂可能具有更高的贵金属利用率。属利用率。电催化剂电催化剂阳极催化剂阳极催化剂阴极催化剂阴极催化剂阳极催化剂阳极催化剂氢气氧化的氢气氧化的Pt/C催化剂催化剂 抗抗CO的催化剂的催化剂 甲醇电氧化催化剂甲醇电氧化催化剂 通过测定通过测定Pt/C催化剂在酸性介质中的循环伏催化剂在酸性介质中的循环伏安曲线，可以研究安曲线，可以研究H在催化剂表面的吸脱附特性。在催化剂表面的吸脱附特性。 一方面，一方面，Pt的分散度是决定催化剂性能的主的分散度是决定催化剂性能的主要参数。另一方面，碳载体的性质对要参数。另一方面，碳载体的性质对Pt/C催化剂催化剂的活性也有较大的影响。电子自旋共振光谱研究的活性也有较大的影响。电子自旋共振光谱研究揭示，揭示， Pt/C催化剂中未配对电子的数量大大低于催化剂中未配对电子的数量大大低于相应的非负载相应的非负载Pt催化剂，表明金属催化剂，表明金属Pt与碳载体之与碳载体之间有电子传递。相关研究还发现在间有电子传递。相关研究还发现在Pt表面吸附的表面吸附的H原子，可以由原子，可以由Pt的表面迁移到碳载体的表面。的表面迁移到碳载体的表面。阳极催化剂阳极催化剂氢气氧化的氢气氧化的Pt/C催化剂催化剂 抗抗CO的催化剂的催化剂 甲醇电氧化催化剂甲醇电氧化催化剂 由于价格因素和储氢的困难，当使用重整气制氢时，由于价格因素和储氢的困难，当使用重整气制氢时，氢气中痕量的氢气中痕量的CO在在Pt催化剂表面上的吸附能力远强于氢。催化剂表面上的吸附能力远强于氢。 针对该中毒问题，主要有两条技术途径：阳极注氧和针对该中毒问题，主要有两条技术途径：阳极注氧和研制抗研制抗CO中毒的电催化剂。中毒的电催化剂。 阳极注氧是在燃料中掺入少阳极注氧是在燃料中掺入少量的氧化剂如量的氧化剂如O2、H2O2。研制抗。研制抗CO中毒的电催化剂有两中毒的电催化剂有两个基本思路：一，以个基本思路：一，以Pt催化剂为基础，通过掺入各种助催催化剂为基础，通过掺入各种助催化剂降低化剂降低CO的电氧化电势和的电氧化电势和/或减弱催化剂表面或减弱催化剂表面CO的