1、第5講 燃料電池材料,本科生課程 先進(jìn)電池材料,5.1 燃料電池概述,燃料電池（Fuel Cell）是等溫地將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)的發(fā)電裝置。 能量轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境友好，被認(rèn)為是21世紀(jì)新一代的發(fā)電技術(shù)。 此種電池只要燃料源源不斷的送入電池槽中，不會有電力中斷或是電池必須更換的疑慮。 燃料電池發(fā)電效率高達(dá)75%，比傳統(tǒng)火力發(fā)電更節(jié)省燃料 (火力發(fā)電效率約35%)。 以氫氣和氧氣作為燃料的氫-氧燃料電池，常作為太空船的能源。最後生成水，成為太空人所需的日常用水，不會造成環(huán)境污染。,概念,燃料電池的特征,低污染 高效率 無噪音 用途多 免充電 燃料來源極廣 只要含有氫原

2、子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉(zhuǎn)換器，都可作為燃料電池的能源進(jìn)料。,第一個燃料電池,燃料電池的原理是於 1839 年由英國的法律學(xué)家和業(yè)餘物理學(xué)家威廉格羅夫（William Grove）發(fā)現(xiàn)的。他當(dāng)時利用四個載有氫氣和氧氣的巨型電池，成功製造電力。,發(fā)展歷史,1839年，英國的威廉.格羅夫發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)燃料電池的報告，發(fā)現(xiàn)電解產(chǎn)生的H2和O2在硫酸溶液中可以分別在兩個鍍鉑片電極上放電； 1889年，蒙德(L. Mond)和萊格(C. Langer)采用浸有電解質(zhì)的多孔材料為隔膜、以鉑黑為電催化劑、以鉑或金片為集流體，組裝了一個實際的燃料電池體系，并首次采

3、用了“燃料電池”這一稱謂； 現(xiàn)代物理化學(xué)奠基人之一的奧斯瓦爾德(W. Ostwald)對燃料電池各部分的作用原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，奠定了燃料電池的理論基礎(chǔ)； 1923年，施密特(A. Schmid)提出了多孔氣體擴(kuò)散電極的概念； 20世紀(jì)50年代，英國人培根(F. Bacon)提出了雙孔結(jié)構(gòu)電極的概念，成功開發(fā)出第一個千瓦級的中溫(200度）堿性燃料電池系統(tǒng)（培根型堿性燃料電池），據(jù)此開發(fā)的堿性燃料電池作為美國宇航局“阿波羅”登月飛船的主電源為人類首次登月做出了貢獻(xiàn)； 20世紀(jì)80年代熔融碳酸鹽燃料電池、90年代固體氧化物燃料電池出現(xiàn)，并得到快速發(fā)展； 20世紀(jì)90年代，隨著高性能催化劑和聚合物

4、膜的發(fā)展以及電極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展取得重大突破。,發(fā)電原理,“燃料電池”是由具滲透性的膜構(gòu)成，在膜的一側(cè)供給氫，另一側(cè)供給氧。氫原子含有一個質(zhì)子及一個電子，質(zhì)子被氧“吸引”到膜的另一邊以形成水分子，電子仍留在原地，造成帶正電的質(zhì)子及帶負(fù)電的電子各在膜的一側(cè)，經(jīng)由外接電路形成電流，這個電化學(xué)現(xiàn)象的原理。,5.2 燃料電池的工作原理,燃料電池,原理-藉電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?其反應(yīng)產(chǎn)生電、熱、及水,燃料電池(Fuel Cell),Anode(陽極,燃料端) reaction: H2 2H+ + 2e- Cathode(陰極,氧氣端) reaction: O2 + 2H

5、+ + 2e- H2O Overall reaction: H2 + O2 H2O + Heat + We,Fuel cell is not a battery, and it is a power generator!,陽極,氫氣在陽極進(jìn)行的是氧化反應(yīng)，氫分子氣體輸至多孔之陽極后，經(jīng)過質(zhì)傳到達(dá)陽極，于是進(jìn)行氧化反應(yīng)：H22H+ + 2e-，氧化反應(yīng)將氫氣氧化成氫離子。薄膜隔離陰陽兩個電極，避免陰陽兩極接觸到而短路，它的另一功用是輸送在陽極所生成的氫離子到陰極。電子由陽極導(dǎo)至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽極端，透過可導(dǎo)離子性質(zhì)(電子絕緣體)之高分子薄膜電解質(zhì)，抵達(dá)陰極。,陰極,氧氣在陰極進(jìn)

6、行還原反應(yīng)，與由陽極傳來的氫離子結(jié)合生成水，產(chǎn)生水及1.229伏特之電壓。反應(yīng)如下： O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 此氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的電流，就會由電池釋放出來推動連接到電池的電子設(shè)備。單一燃料電池，其理論輸出電壓值約為1伏特，因此可藉由雙極板或連接器將組件予以串、並聯(lián)，如此便可製備出不同規(guī)格的產(chǎn)品。 燃料電池沒有經(jīng)過燃燒過程，故不會產(chǎn)生污染，也不像傳統(tǒng)的火力或核能發(fā)電，需經(jīng)多次轉(zhuǎn)換才能發(fā)電。燃料電池發(fā)電因步驟簡單，自然效率就高，體積小。當(dāng)多組的單位原件重疊一起時，即可串連增加電壓及電能。又效率與組數(shù)無關(guān)，燃料電池可大可小，應(yīng)用範(fàn)圍廣闊。,燃料電池的基本元件,燃料電池的基本元件包括

7、：陰極、陽極、電解質(zhì)和雙極板或連接器。通常以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，在陽極氧化燃料，在陰極還原氧氣。 燃料電池是以這樣的核心單元串聯(lián)組成為較大功率的電池組，或稱電池堆(fuel cell stack)。,燃料電池 vs. 電池,Anode reaction: 2H2 4H+ + 4e-,Anode reaction：Zn + 2OH- ZnO + H2O + 2e-,Pt,Pt,Pt(catalyst),Zn ZnO, 2OH- H2O,Mn2O3 MnO2,Electrical Circuit,reactant,共同點(SIMILARITY): 電化學(xué)裝置(Electrochemical

8、devices); 將燃料之化學(xué)能直接轉(zhuǎn)電能; 組成(Components): 電極(Electrodes) and 電解質(zhì)(Electrolyte),差異處(DIFFERENCE):,內(nèi)燃機(jī) vs. 燃料電池,內(nèi)燃機(jī),共同點(SIMILARITY): Energy conversion(轉(zhuǎn)換) devices; Reactants are stored outside(外部儲存); Lifetime(壽命): unlimited (in principle). 差異處(DIFFERENCE):,燃料電池FUEL CELL,電池vs. 內(nèi)燃機(jī) vs.燃料電池,Choice of electro

9、lyte(電解質(zhì)) （最常用） Type of fuel(燃料) 直接型：燃料不經(jīng)過轉(zhuǎn)化步驟直接參加燃料電池反應(yīng)（如：氫氧燃料電池）； 間接型：燃料不直接參加電化學(xué)反應(yīng)，而是要通過重整等方法將燃料轉(zhuǎn)化后再供給燃料電池發(fā)電，比如：將甲醇重整后富氫混合氣作為燃料電池的燃料； 再生型：將燃料電池反應(yīng)生成的水經(jīng)過某種方式（如熱和光等）分解成氫和氧，再將氫和氧重新輸入燃料電池中發(fā)電的燃料電池。 3. Operating temperature(電池溫度) 低溫燃料電池：25100 ； 中溫燃料電池：100500 ； 高溫燃料電池：5001000 ； 超高溫燃料電池：大于1000 。 4. Type of

10、 charge carrier(傳導(dǎo)離子),分類方式：,4.3 燃料電池的分類,按照電解質(zhì)性質(zhì)來分類,堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell, AFC) 以 堿性的氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)，要求隔絕CO2，技術(shù)成熟，空間應(yīng)用； 磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 以濃磷酸為電解質(zhì)，技術(shù)成熟，第一代燃料電池； 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 以熔融的鋰-鉀或鉀-鈉碳酸鹽為電解質(zhì)，第二代燃料電池； 固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 以氧離子導(dǎo)體固體

11、氧化物（如：ZrO2-Y2O3)為電解質(zhì)，第三代燃料電池； 質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC): 以全氟或部分氟化的磺酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)； 直接甲醇燃料電池 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC),燃料電池的分類,AFC, PAFC, MCFC,因電解質(zhì)非屬固態(tài)且具腐蝕性而逐漸失去市場接受度。,燃料電池的技術(shù)特點,燃料電池的優(yōu)點,跨領(lǐng)域的技術(shù),燃料電池的多學(xué)科性,5.4 燃料電池系統(tǒng)的組成,燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成,燃料電池系統(tǒng)(Fuel Cell System),一級燃料,空氣,5.5 燃料電池

12、的應(yīng)用,發(fā)電站,移動電站,微型電源,動力源,航空航天動力,地面車輛動力,潛艇動力,應(yīng) 用 發(fā) 展,燃料電池電子設(shè)備,新的水燃料電池將是世界上最小的具備2瓦輸出能力的電池。 這種電池利用DoCoMo公司的recharger技術(shù)和Aquafairy公司的薄膜技術(shù)將水中的氫分離出來， 而放電時氫也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)重新變成水。 同樣尺寸的水燃料電池所能提供的電能是甲醇燃料電池的8倍， 也就是說水燃料電池完全可以做得非常小以適應(yīng)手機(jī)的尺寸。 與鋰離子電池相比， 水燃料電池的充電時間相當(dāng)， 容量則大上數(shù)倍， 因此手機(jī)的待機(jī)時間也可以延長至數(shù)星期乃至一兩個月， 通話時間也可以不再用小時計算。,日立在近期開發(fā)出如

13、AA電池一般大小的燃料電池內(nèi)裝50立方厘米的甲醇，能讓普通的PDA產(chǎn)品堅持使用6-8個小時。而據(jù)說日立正在開發(fā)能讓甲醇濃縮的技術(shù)，到時候電池將會有更長的使用時間。,日立在近期開發(fā)出如AA電池一般大小的燃料電池內(nèi)裝50立方厘米的甲醇，能讓普通的PDA產(chǎn)品堅持使用6-8個小時。而據(jù)說日立正在開發(fā)能讓甲醇濃縮的技術(shù)，到時候電池將會有更長的使用時間。,近年，東芝在各展會上會展出其設(shè)計研發(fā)的筆記本燃料電池，新型燃料電池采用甲醇作為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，與采用鋰電池的東芝公司自己生產(chǎn)的筆記本電腦相比，50CC甲醇可連續(xù)使用5小時，超鋰電池兩倍以上。 燃料電池另一好處是只需充燃料，不必像鋰電池那樣再次

14、充電。燃料電池的甲醇依靠含二氧化碳的氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，排出物就是水，屬于無公害能源。東芝燃料電池采用甲醇與氧氣直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的“直接反應(yīng)甲醇”。,東芝展示的燃料電池供電的筆記本樣機(jī),日前，韓國的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持續(xù)使用10小時的筆記本燃料電池。LG電子對外揭開了未來在筆記本上使用的甲醇燃料電池的神秘面紗，并宣布在今年的后半旬將全面商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，該燃料電池總體上比較便于攜帶。,燃料電池在汽車上應(yīng)用,使用氫氧燃料電池動力的法國產(chǎn)標(biāo)致TAXI,本田的氫動力車FCX,本田的氫動力車已經(jīng)在美國加利福尼亞州獲準(zhǔn)上市。,上海神力科技有限公司120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動機(jī)和

15、車 上海神力科技有限公司承擔(dān)了國家863計劃“燃料電池發(fā)動機(jī)”項目,神力公司燃料電池車,神力公司燃料電池發(fā)動機(jī)所采用的技術(shù)路線，不同于國際知名的大公司如加拿大巴拉德公司(Ballard Power Systems)、美國通用汽車公司(GM)等的高壓運行技術(shù)，自主開發(fā)了常壓運行的燃料電池技術(shù)，系統(tǒng)更為簡單，安全性、可靠性高，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，已申請中國、美國專利102項。,自2002年起，神力公司為清華大學(xué)的燃料電池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)發(fā)動機(jī)。 凈輸出功率 100KW 最大穩(wěn)定輸出功率 120KW 峰值輸出功率 150KW 電壓 300-480V(

16、可以根據(jù)用戶要求調(diào)整) 電流 0-400A 能量轉(zhuǎn)化效率 45%-52% 燃料 存儲方式 高壓鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞環(huán)氧樹脂浸漬的儲氫罐 燃料類型 氣態(tài)氫 操作環(huán)境環(huán)境溫度 0-50 相對濕度 0-95% 工作溫度 60-80 工作壓力 常壓 物理特性長寬高 1040mm680mm690mm*2 重量 560kg(不包括驅(qū)動電機(jī)) 噪聲 76dB,120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動機(jī),最新科技-美國空軍學(xué)院研究無人機(jī)用氫燃料電池技術(shù),美國空軍學(xué)院位于科羅拉多州，目前有11個院系在開展無人機(jī)有關(guān)技術(shù)的研究，其中化學(xué)部的教員和學(xué)生們正在研究可用于無人機(jī)的氫燃料電池技術(shù)。 化學(xué)式氫發(fā)生器的總體構(gòu)想是利用鋰

17、和鋁的氫化物作為儲氫原料，通過化學(xué)反應(yīng)將這些金屬氫化物中的氫元素釋放出來，這就產(chǎn)生了燃料電池所需的氫燃料。對一架無人機(jī)來說，氫燃料的釋放速度和流量必須與它所需要的電能相匹配。,在無人機(jī)領(lǐng)域，氫燃料電池技術(shù)的主要應(yīng)用對象將是采用電推進(jìn)的小型無人機(jī)。與采用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)或渦輪發(fā)動機(jī)相比，電推進(jìn)的聲輻射和熱輻射都較低，所以能提高無人機(jī)的低可探測性能。此外它能可靠地起動，并且非常緊湊。但是，今天的常規(guī)電池對電推進(jìn)無人機(jī)來說仍然太重，而氫燃料電池的重量要比等功率的常規(guī)電池輕50%以上。 目前已實現(xiàn)了第一個目標(biāo)，即氫原料的產(chǎn)氫率按重量比算達(dá)到6%，這就是說100磅(45.4千克)的氫原料能產(chǎn)生6磅(約2.72

18、千克)的氫。這聽起來很少，但由于氫是一種很輕的元素，6磅(約2.72千克)氫氣的體積超過30000升。此研究所正打算嘗試將產(chǎn)氫率進(jìn)一步提高到18%“。 目前，為實現(xiàn)6%產(chǎn)氫率而采用的化學(xué)方法的潛力實際上僅發(fā)揮了一半。學(xué)員們正在進(jìn)行試驗以解決這個問題。他們正嘗試?yán)眉{米技術(shù)使氫原料的每個原子都能得到利用，還在研究利用催化劑提高反應(yīng)過程中的產(chǎn)氫速度，這樣可能也能提高氫原料的利用率。,美國陸軍已經(jīng)試驗了9臺已開發(fā)的氫發(fā)生器/50瓦燃料電池組合原型。目前這種系統(tǒng)成本過高，所需化合物稀少，并且難以實現(xiàn)再充電。目前所取得的積極成果是所產(chǎn)生的氫不需要在低溫或高壓的環(huán)境中存儲，而可在常溫常壓下永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定，直

19、到你開啟燃料電池使之發(fā)生作用。但是,就像許多新技術(shù)一樣，它走向?qū)嵱眠€有許多工作要做，包括進(jìn)一步提高產(chǎn)氫率的許多研究，大量的工程化發(fā)展工作和對制造技術(shù)的投資。從基礎(chǔ)研究通向一種可以實際使用的系統(tǒng)是一條漫長的路，通常需要20年甚至更久。,5.6 燃料電池的熱力學(xué)基礎(chǔ),5.7 燃料電池所用的燃料,燃料種類：氫氣、甲醇、甲酸和乙醇等。 氫氣：主要燃料，反應(yīng)活性最高，且反應(yīng)簡單，無副反應(yīng)。,氫氣燃料的制備,氫氣燃料的凈化,烴制氫、醇制氫和煤氣化制氫等產(chǎn)生的富氫氣體中通常都含有一定量的CO。對低溫燃料電池，CO會吸附到金屬催化劑的表面造成催化劑中毒。因此必須對富氫燃料氣體進(jìn)行凈化，減緩催化劑的中毒問題。

20、富氫燃料氣的凈化首先可以通過水汽轉(zhuǎn)換反應(yīng)將富氫燃料氣中的一部分CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。 CO + H2O CO2 + H2 甲烷化凈化方法則是通過甲烷化反應(yīng)去除富氫燃料氣中的CO，甲烷化反應(yīng)能促使CO和氫氣反應(yīng)生成甲烷和水。 選擇性膜凈化也是去除富氫燃料氣中CO的有效方法之一。最常用來進(jìn)行富氫燃料氣膜凈化的是鈀或鈀合金膜。鈀或鈀合金膜具有非常高的氫氣選擇性，可以單獨允許富氫燃料氣中氫氣通過，而阻隔其他雜質(zhì)氣體，從而凈化氫氣。,氫氣燃料的儲存,氫氣儲存方式,物理儲存方式,化學(xué)儲存方式,以單質(zhì)形式存在于金屬或一些其他物質(zhì)，比如：以氣態(tài)方式壓縮在氣罐，儲氫密度低；或高壓下以液態(tài)方式儲存在氫罐，儲氫密度高，

21、但要求容器隔絕性能很高，氫氣轉(zhuǎn)換為液態(tài)過程需要消耗大量能量。物理儲存方式面臨嚴(yán)重的安全性問題。 目前，固態(tài)儲氫是較理想儲氫方式，氫氣儲存在儲氫合金中，常見儲氫合金包括：鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。,以氣態(tài)或液態(tài)化合物的形式存在，如：烴類、醇類、氨和金屬氫化物等。比如：將氫化鈉小球涂覆防水表面，然后放入水中，為釋放氫氣可以使防水表面產(chǎn)生機(jī)械滲漏，則氫化鈉和水就可以反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈉。但，化學(xué)儲存使用起來不方便，不常用。,氫氣儲存技術(shù),目前FCV氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體載運量因而受限，每次充填量僅約2.53.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車單程可跑 480650公

22、里的續(xù)航力。以-253保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5。,氫氣儲存方法,5.8 堿性燃料電池(AFC),原理：,以氫氧化鉀(KOH)為電解質(zhì)，導(dǎo)電離子為OH-，這是一種氫氣/氧氣的燃料電池，電解質(zhì)為重量濃度百分比35%到85%的氫氧化鉀溶液(KOH)，氫氧根離子(OH-)從陰極傳送至陽極。依據(jù)電解質(zhì)濃度的不同，操作溫度范圍可從小于120250 oC不等，發(fā)電效率可達(dá)70%左右。由于采用氫氧化鉀溶液當(dāng)作電解質(zhì)，至今堿性燃料電池費用仍然居高不下，許多研發(fā)機(jī)構(gòu)仍然致力尋找方法降低制造成本與

23、改善操作彈性。,與其他類型氫氧燃料電池最大不同之處就是AFC是在陽極側(cè)產(chǎn)生水，而PEMFC與PAFC的水則是產(chǎn)生在陰極側(cè)。,使用的電催化劑主要是貴金屬（如：鉑、鈀、金、銀等）和過渡金屬（如：鎳、鈷、錳等）或者由它們組成的合金。 其電極結(jié)構(gòu)主要有雙孔結(jié)構(gòu)電極和粘結(jié)型憎水電極等氣體擴(kuò)散電極。 雙孔結(jié)構(gòu)電極由培根發(fā)明，其粗孔層通向氣室、細(xì)孔層與電解質(zhì)接觸，電子依靠構(gòu)成粗孔層和細(xì)孔層兩者的雷尼金屬骨架進(jìn)行傳導(dǎo)，離子與水在電解液薄膜與細(xì)孔層內(nèi)的電解液中進(jìn)行傳送。 粘結(jié)型憎水電極是將親水并且具有電子傳導(dǎo)能力的電催化劑與具有憎水作用和一定粘結(jié)能力的防水劑按一定比例混合制成的具有一定厚度的電極，由防水劑構(gòu)成的

24、憎水網(wǎng)路為反應(yīng)氣體的進(jìn)入提供了電極內(nèi)部的擴(kuò)散通道，由電催化劑構(gòu)成的能被電解液完全浸潤的親水網(wǎng)路為其提供水與導(dǎo)電離子OH-的通道。,堿性燃料電池電解質(zhì)在工作過程中為液態(tài)，而反應(yīng)物為氣態(tài)。堿性燃料電池電極通常采用雙孔結(jié)構(gòu)，這對電池的操作壓力要求較高，因此電解液采用泵在電池和外部之間回圈以清除雜質(zhì)。 由于在堿性燃料電池的堿性電解液里可以采用鎳等非貴金屬作為電極材料和催化劑，所以其成本較低，且其具有高達(dá)5060%高效率。 但是，堿性燃料電池對CO2極其敏感，為了不影響其使用壽命，不可以使用空氣作為氧化劑，也不大可以使用重整氣作為燃料，這就大大限制了其應(yīng)用范圍。 基于系統(tǒng)造價高昂和復(fù)雜的緣故，目前堿性燃

25、料電池只局限在空間、常規(guī)潛艇AIP(非空氣推進(jìn)系統(tǒng))和固定發(fā)電系統(tǒng)等方面。,優(yōu)點：,1. 能量轉(zhuǎn)化效率高。堿性燃料電池操作電壓在0.80.95 V時，其電能轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)6070%。這是由于在堿性介質(zhì)中氧的還原反應(yīng)在相同觸媒（如：鉑/碳、鉑）上反應(yīng)速率比在其他電池高的緣故。 2. 可使用非鉑觸媒，如：雷尼金屬，硼化鎳等，不但可降低成本，也不受鉑資源的限制。 3. 其結(jié)構(gòu)可使用塑膠，或非貴重與稀有金屬等較為便宜的材料。如，鎳在堿性燃料電池的工作溫度下，面對電池中的堿性電解質(zhì)具有化學(xué)穩(wěn)定性。因此，可采用鎳板或鍍鎳金屬板作雙極板。 4. 瞬間啟動快且操作溫度范圍廣，即便在結(jié)冰溫度下仍能正常運行。 5

26、. 熱管理較為容易。,缺點：,1. 以空氣作為堿性燃料電池的氧化劑，必須清除空氣中所含的二氧化碳。 2. 當(dāng)以各種碳?xì)浠衔锏闹卣馁|(zhì)氣體作為燃料氣體時，必須去除氣體中的二氧化碳，盡管對小功率電池可以采用鈀-銀分離膜來處理，但卻大大增加了發(fā)電系統(tǒng)的成本。 3. 堿性燃料電池采用氫氧化鉀或氫氧化鈉為電解質(zhì)，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)所生成的水必須及時排出，以維持濃度，因此，排水方法及控制均增加了燃料電池的復(fù)雜度和相應(yīng)的成本。,AFC使用中存在的問題：,隔膜材料,AFC使用石棉作為隔膜材料。石棉具有致癌作用，很多國家提出在AFC中禁止使用石棉。 為尋求替代材料，V.M. Rosa等研究了聚四氟乙烯(PTFE)

27、、聚苯硫醚(PPS)以及聚砜(PSF)等材料，發(fā)現(xiàn)PPS和PTFE在堿性溶液中具有與石棉同樣允許液體穿透而有效地阻止氣體通過，具有較小的電阻和較好的抗腐蝕性，其中PPS甚至還優(yōu)于石棉。 P. Vermeiren等研究了Zirfon (85%ZrO2，15%PSF質(zhì)量比)在KOH溶液中的電阻特性，發(fā)現(xiàn)該材料優(yōu)于石棉。 研究結(jié)果表明，PTFE, PPS和Zirfon等材料具有與石棉相近，甚至更佳的特性，對人體無損害，可取代石棉作為隔膜材料。,CO2毒化作用,空氣作為氧化劑時，CO2隨著氧氣一起進(jìn)入電極和電解質(zhì)，形成碳酸鹽，減少了作為載流子OH-的數(shù)量，影響了電解質(zhì)的導(dǎo)電性，并容易在電極微孔中析出，

28、阻塞并損壞多孔催化劑結(jié)構(gòu)和電極。這個問題也是制約AFC運用于交通工具的最重要因素，是近年來一直亟需解決的問題。 空氣中的CO2可使用鈉鈣通過化學(xué)吸收加以消除。據(jù)報道，1 Kg的鈉鈣可處理1000 m3空氣，將其CO2含量從0.03%降低到0.001%，從而基本消除CO2的毒化作用。這種方法原理簡單，但需要不斷更換吸收劑，建立一套添加和處理廢氣吸收劑的機(jī)制，并不實用。,1960年至1970年代，堿性燃料電池便已成功運用在太空航空領(lǐng)域飛行，而目前用在太空船上的AFC，其機(jī)械結(jié)構(gòu)愈來愈簡化。 然而，AFC在地面上的應(yīng)用則是面臨CO2與電解質(zhì)反應(yīng)的問題，因此必須經(jīng)常更新電解質(zhì)，或重新組裝燃料電池堆；此

29、外，作為電解質(zhì)隔膜的石棉也是一項嚴(yán)重的問題，由于對人體健康有重大的危害，有些國家已經(jīng)禁止使用石棉，以上因素導(dǎo)致堿性燃料電池的使用率相當(dāng)?shù)汀?事實上，從1980年代后期，堿性燃料電池的相關(guān)研究與開發(fā)已大為減少，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在太空宇航領(lǐng)域。,堿性燃料電池的開發(fā)應(yīng)用,7.9 磷酸燃料電池(PAFC),前言：,1970年以后，世界各國開始致力于開發(fā)以酸為電解質(zhì)的酸性燃料電池。 其中以磷酸為電解質(zhì)的磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell, PAFC)首先獲得突破。 由于磷酸是唯一同時具有良好熱、化學(xué)、以及化學(xué)穩(wěn)定性的無機(jī)酸，而且在超過150 oC高溫下?lián)]發(fā)性低，更重要的是

30、它可以容忍燃料氣體與氧化劑所含的二氧化碳。 因此，PAFC適合作為地面應(yīng)用的燃料電池。,工作原理：,PAFC是使用碳黑作為鉑載體，以及使用石墨作為電池結(jié)構(gòu)體。 石墨的物化特性相當(dāng)穩(wěn)定，可以取代昂貴的鍍金鉭板，降低了成本； 此外，碳黑為載體的高分散型鉑/碳黑取代了鉑黑作為多孔電極的觸媒，大大降低了電極鉑載量而不影響電極性能。,以氫為燃料、氧為氧化劑時，在電池內(nèi)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：,電解質(zhì)與載體：,目前，PAFC的設(shè)計均采用同時具有化學(xué)穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性的碳化硅(SiC)粉末與聚四氟乙烯(PTFE)來制作電解質(zhì)。 PAFC電解質(zhì)載體是具有微孔結(jié)構(gòu)的隔膜，一般而言，電解質(zhì)載體隔膜內(nèi)孔徑遠(yuǎn)小于多孔

31、氣體擴(kuò)散電極的孔徑，以確保電解質(zhì)隔膜內(nèi)的孔隙能夠完全充滿磷酸電解質(zhì)。當(dāng)充滿濃磷酸的隔膜與氫氧電極組合在一起的時候，在電池堆組裝力作用下，部分磷酸電解質(zhì)將會滲入氫氣多孔擴(kuò)散電極內(nèi)，形成三相空間的三相界面（觸媒、磷酸電解質(zhì)、反應(yīng)氣體），有助于電化學(xué)反應(yīng)。 目前所使用的磷酸電解質(zhì)濃度為100%，操作溫度則為200 oC左右。,雙極板：,雙極板的功能主要是把氫氣和氧氣分開，以及傳導(dǎo)電流的功用。 由于磷酸具有腐蝕性，不會采用一般的金屬材料來制作，而現(xiàn)在多數(shù)采用多孔碳流場板夾住中間一層分隔氫氣與氧氣的無孔薄膜來完成雙極板的構(gòu)造。 這一種設(shè)計優(yōu)點在于不但可以有效的把氧氣和氫氣隔開，還可以在多孔流場板的內(nèi)部儲

32、存少量的磷酸電解質(zhì)，磷酸就可以依靠多孔板中毛細(xì)孔力遷移到電解質(zhì)隔膜，可補(bǔ)充因蒸發(fā)而損失的磷酸，以延長電池的工作壽命。,電池堆與系統(tǒng)：,由單電池逐一堆疊而成的PAFC，其工作溫度在200 oC左右，發(fā)電效率約為40%，約60%燃燒化學(xué)能將以熱的方式呈現(xiàn)。 為確保電池堆的工作穩(wěn)定，必須將電池產(chǎn)生的熱排出或回收利用。就排出熱的問題而言，在每25個單節(jié)電池間放入散熱板來散熱，散熱的冷卻劑一般采用水、空氣或絕緣油等。 水的優(yōu)點在于蒸發(fā)潛熱很大，缺點是為了避免腐蝕問題，重金屬及氧要控制在1 ppm及0.001 ppm以下；而空氣作為冷卻劑時，因為其熱容低，所需流量就相對大；而采用絕緣油作冷卻劑時，優(yōu)點是不

33、用考慮到水的質(zhì)量，但因比熱低，相對所需的流量也很大。 對于熱回收這方面，磷酸燃料電池的余熱可以為燃料氣體預(yù)熱，或直接以熱水與蒸汽的方式回收使用。而對于高功率的磷酸燃料電池而言，可以利用排出的余熱經(jīng)過蒸汽輪機(jī)來發(fā)電，以提高復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的總放電效率。 影響PAFC性能的因素主要是壓力、溫度、反應(yīng)氣體組成與利用率等等。,PAFC應(yīng)用：,PAFC是最早商業(yè)化的燃料電池技術(shù)，因此又稱為第一代燃料電池，磷酸燃料電池屬于中溫型燃料電池，工作溫度在180210 oC。 具有發(fā)電效率高、清潔、無噪音等優(yōu)點，而且還可以以熱水形式回收大部分的反應(yīng)熱，發(fā)電效率可達(dá)40%，熱電合并系統(tǒng)效率更可達(dá)6070%。 PAFC主

34、要用以提供飯店、醫(yī)院、學(xué)校、商業(yè)中心等場所所需之熱與電力，也可以作為不間斷電源(uninterrupted power supply, UPS)應(yīng)用。 但由于PAFC啟動時間需數(shù)個小時，作為緊急用電源或交通工具會不太有利。,磷酸燃料電池(PAFC)屬于高度成熟的技術(shù)，目前處于商業(yè)化前期，但仍需不斷技術(shù)進(jìn)步與大量生產(chǎn)來提供PAFC發(fā)電站的可靠性與壽命，而且要降低成本。 PAFC優(yōu)點在于低電荷時仍然可保持高的發(fā)電效率，安裝簡單省時，電廠擴(kuò)充容易等等。 缺點是需數(shù)個小時的暖機(jī)時間，很難作為緊急電源，備用電力或燃料電池交通工具的動力源。 另一缺點是它的工作溫度僅為200 oC左右，回?zé)嵝势?，因此沒

35、有SOFC和MCFC等高溫型燃料電池更為經(jīng)濟(jì)。,5.9 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC),概述,熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)，通常稱為第二代燃料電池。 MCFC工作溫度為873923 K，因而，與低溫燃料電池相比，有幾個潛在優(yōu)勢： 在MCFC的工作溫度下，燃料（如：天然氣）重整可在電池堆內(nèi)部進(jìn)行，既降低了系統(tǒng)成本，又提高了效率； (2) 電池反應(yīng)高溫余熱可用于工業(yè)加工活鍋爐循環(huán)； (3) 幾乎所有燃料重整都產(chǎn)生CO，它可使低溫燃料電池電極催化劑中毒，但卻可成為MCFC燃料。 MCFC缺點是：在其工作溫度下，電解質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，陰極需不斷供應(yīng)C

36、O2。 MCFC研究開始于1950年，其后近半個世紀(jì)時間內(nèi)，在電極反應(yīng)機(jī)理、電池材料、電池性能和制造技術(shù)等方面，均取得巨大進(jìn)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，幾年前即已達(dá)到100 kW水平，目前已達(dá)到2502000 kW。,與低溫燃料電池相比，MCFC成本和效率很有競爭力。PAFC和PEMFC都需貴金屬催化劑，重整富氫燃料中的CO也需去除。而高溫MCFC的H2反應(yīng)活性高，可使用非貴金屬作電化學(xué)催化劑。盡管提高反應(yīng)溫度使電池理論效率降低，但同時也降低了過電位損失，實際效率是提高了。 MCFC工作溫度足夠產(chǎn)生有價值余熱，又不至于有過高自由能損失。余熱可用來壓縮反應(yīng)氣體以提高電池性能、用于燃料的吸熱重整反應(yīng)、用于鍋

37、爐或供暖。 MCFC的一個最主要優(yōu)點是可內(nèi)部重整。甲烷重整反應(yīng)可在陽極反應(yīng)室進(jìn)行，重整反應(yīng)所需熱量由電池反應(yīng)提供。在內(nèi)部重整的MCFC中，空速較低，重整反應(yīng)速率很適當(dāng)。但硫和微量碳酸鹽可使重整催化劑中毒。 盡管MCFC的反應(yīng)動力學(xué)有明顯優(yōu)勢，但其高溫運行帶來的熔鹽腐蝕和密封等問題，阻礙了它的快速發(fā)展。,MCFC原理,熔融碳酸鹽燃料電池采用堿金屬(如：Li、Na、K)的碳酸鹽作為電解質(zhì)，電池工作溫度為873973 K。在此工作溫度下，電解質(zhì)呈熔融狀態(tài)，載流子為碳酸根離子(CO32-)。典型電解質(zhì)由摩爾分?jǐn)?shù)62%Li2CO3+38%K2CO3(熔點763K)組成。 MCFC燃料氣為H2，氧化劑是O

38、2和CO2。當(dāng)電池工作時，陽極上H2與從陰極區(qū)遷移過來的CO32-反應(yīng)，生成CO2和H2O，同時將電子輸送到外電路；而陰極上O2和CO2與從外電路輸送過來的電子結(jié)合，生成碳酸根離子CO32-，反應(yīng)方程式如下：,MCFC構(gòu)成,熔融碳酸鹽燃料電池主要是由陽極、陰極、電解質(zhì)基底和集流板或雙極板構(gòu)成。,MCFC系統(tǒng)特性,MCFC優(yōu)缺點,MCFC性能,影響MCFC性能的因素除了電池堆規(guī)格、傳熱率、電壓水平、負(fù)載和成本等以外，還有壓力、溫度、氣體組成和利用率等相關(guān)因素。典型MCFC運行范圍是100200mA/cm2，單電池電壓為750900 mV，其影響因素主要包括：,（1）壓力 增加燃料氣和氧化劑的壓力

39、可提高電池的開路電壓，這是由于反應(yīng)物分壓提高，氣體溶解度增大，傳質(zhì)速率增加所致。對一定電流密度下工作的電池來講，加壓可提高功率密度和比能量。加壓可加速氣體擴(kuò)散，降低電池擴(kuò)散過電位，還可減小氣體體積，采用較少的管道、鼓風(fēng)機(jī)，節(jié)約絕熱保溫系統(tǒng)的費用。加壓也會影響電流密度，同一電壓下，壓力大的其電流密度較大。另外，加壓還對減小電解質(zhì)的蒸發(fā)有利。 不過，加壓也有兩個主要缺點，加速陰極腐蝕和不利于甲烷轉(zhuǎn)化。需要注意的是，若燃料氣加壓，則氧化劑也必須加壓，陰陽極間的壓力差需維持在4 kPa以下，以防氣體越過電解質(zhì)基底。,（2）溫度 盡管MCFC開路電壓隨溫度上升而下降，但溫度升高使得熔鹽電阻下降，尤其是陰

40、極反應(yīng)電阻極大降低，因而電池工作電壓是隨溫度上升而增高，從這個角度出發(fā)，溫度升高是有利的。但從電池長期工作角度來看，溫度升高是不利的。因為高溫不僅使電池組分的腐蝕速度加快，而且會造成熔鹽蒸汽壓進(jìn)一步加大，電解質(zhì)蒸汽隨反應(yīng)氣體的排放氣流而損失，從而導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加以及反應(yīng)氣體穿過電解質(zhì)基底與另一邊氣體相混合，電池性能迅速下降，甚至短路。因此，為保證電池有較長的壽命，工作溫度不宜過高。目前，大多數(shù)MCFC電池堆的工作溫度是923K，高于此溫度電池性能提高已不明顯，而且電池壽命將會縮短。因而，923K是MCFC的最佳工作溫度，同時也滿足性能和壽命的要求。 （3）反應(yīng)氣體組成 CO2氣體是陰極活性物質(zhì)

41、，同時也是陽極反應(yīng)的產(chǎn)物。在陰極區(qū)和陽極區(qū)與電解質(zhì)平衡的CO2分壓是不同的，用能斯特方程計算出的電池電動勢也是不同的。加大陰極區(qū)的CO2分壓，可使電池電動勢增加，即，若使電池正常工作，必須提供足夠量的CO2，陰極反應(yīng)消耗CO2和O2的比例為2:1，該比例下，陰極反應(yīng)性能最佳。,（4）電解質(zhì)裝填量 電解質(zhì)基底全部充滿電解質(zhì)時稱為100%裝填比。如前所述，單電池中裝填的電解質(zhì)大部分吸附在電解質(zhì)基底中，其次是陰極孔隙中，陽極孔隙中吸附得最少。電解質(zhì)裝填比過低，則電池內(nèi)阻增加，反應(yīng)氣體易穿透基底，引起電池性能下降；電解質(zhì)的裝填比過高，則陰極孔隙被電解質(zhì)堵死，反應(yīng)氣體無法擴(kuò)散至反應(yīng)界面，電性能變差。另外

42、，在電池長期工作中，電解質(zhì)將有一定的蒸發(fā)損失，因此在電池工作初期，選用合適的裝填比是十分重要的。對于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計的電池，最佳裝填比應(yīng)根據(jù)電池各組分試劑工作參數(shù)來確定。 （5）雜質(zhì) 煤氣化氣可能是未來MCFC的主要原料，煤中含有許多雜質(zhì)，煤衍生燃料也含有相當(dāng)數(shù)量的雜質(zhì)。MCFC對這些雜質(zhì)的耐受濃度水平已成為人們關(guān)注的重點，即尋找一最佳雜質(zhì)濃度使其既不影響電池性能和壽命，也不必有過多煩瑣的凈化步驟。這些雜質(zhì)主要包括硫化物、鹵化物、含氮化合物和固體顆粒等。,（6）電流密度 電流密度增大時，歐姆極化、活化極化和濃度極化均增加，尤其是歐姆極化。 （7）運行時間 電池堆的耐久性是MCFC商業(yè)化進(jìn)程中的一

43、個關(guān)鍵因素。在設(shè)計期限內(nèi)，MCFC應(yīng)保持優(yōu)良的性能，MCFC壽命的目標(biāo)為40000小時，千小時平均電池電壓降應(yīng)低于2 mV。在現(xiàn)階段，千小時運行平均電壓損失約為5 mV。,5.10 固體氧化物燃料電池(SOFC),前言,固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，其與第一代燃料電池(PAFC)以及第二代燃料電池(MCFC)相比有以下優(yōu)點： （1）較高的電流密度和功率密度，電化學(xué)反應(yīng)效率非常高（可達(dá)80%）； （2）可直接使用含氫氣、甲烷、甲醇的燃料（如：天然氣、沼氣），而不必使用貴金屬（如：鉑等）作催化

44、劑； （3）避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；,（4）陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行（6001000 oC），高溫意即這種電池能抵制CO的污染，CO會隨時氧化成CO2，高溫亦加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可提供高質(zhì)余熱來加以循環(huán)利用，并讓多種碳?xì)淙剂蠚怏w內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備；其經(jīng)反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫蒸汽可實現(xiàn)汽-電共生，效率達(dá)70%以上，整體能源之效率高； （5）廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)（70%以上為氧化物），在正常情形下使用可以操作數(shù)年而不需維修或更換。 雖然操作溫度高導(dǎo)致電池啟動慢，且需要更多保溫設(shè)備以維持電池高溫、不適用于交通工具與隨身攜帶，但

45、由于其瑕不掩瑜的潛力，SOFC仍被普遍認(rèn)為是在未來會與PEMFC一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。,SOFC原理,陰極半反應(yīng): 1/2O2+2e-O2-,陽極半反應(yīng): H2+O2-H2O+2e- CO+O2- CO2+2e-,總反應(yīng):mH2+nCO+1/2(m+n)O2mH2O+nCO2,SOFC構(gòu)造,由于是全固體的結(jié)構(gòu)，SOFC具有多樣性的電池結(jié)構(gòu)，以滿足不同的需求。主要電池結(jié)構(gòu)有管式、平板式、套管式、瓦楞式(Mono-Block Layer Built, MOLB)結(jié)構(gòu)、以及熱交換一體化的HEXIS(Heat Exchange Integrated Stack)結(jié)構(gòu)。上圖為一平板式固態(tài)氧

46、化物燃料電池的結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵零組件包含陽極(andoe)、固體氧化物電解質(zhì)隔膜(electrolyte)、陰極(cathode)、與夾持SOFC的雙極板(bipolar plate)與密封材料等。,陽極 SOFC陽極通常利用鎳金屬(電催化活性良好且價格低廉)與摻入Y2O3的氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)材料混合后制成金屬陶瓷電極。此金屬陶瓷電極可防止金屬催化劑的燒結(jié)，具有穩(wěn)定的電極孔結(jié)構(gòu)和足夠多的孔隙率使燃料氣體通過，又能將陽極電化學(xué)反應(yīng)從二維空間擴(kuò)展為三維空間。此外，加入電解質(zhì)材料可調(diào)節(jié)金屬陶瓷電極的熱膨脹系數(shù)，與電解質(zhì)隔膜的熱膨脹系數(shù)相匹配。,陰極 SOFC陰極通常利用鍶摻雜的錳酸鑭(LSM, L

47、a1-xSrxMnO3)與電解質(zhì)材料(如YSZ)混合后制成電池陰電極。選用LSM的主因是當(dāng)其化學(xué)式中x值介于0.10.3時，其熱膨脹系數(shù)能與電解質(zhì)隔膜的熱膨脹系數(shù)相匹配。此外，LSM不但具有高氧化還原的電催化劑活性，而且具有良好的電子導(dǎo)電性。 目前，常采用的陰電極制程是將LSM中摻入一定比例(20% 40%)的YSZ電解質(zhì)，以網(wǎng)印、噴涂等方法將LSM與YSZ的混合漿料涂覆到固體電解質(zhì)隔膜上。該涂層厚度一般為5070 m，經(jīng)由高溫(13001400 oC)燒結(jié)，制備出SOFC陰極。,固態(tài)氧化物電解質(zhì)隔膜 SOFC所使用的電解質(zhì)主要分為兩類。一類為螢石結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解質(zhì)，如摻入摩爾分率310%

48、Y2O3的氧化鋯(YSZ)；另一類為近年研究取得突破的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)的固體氧化物電解質(zhì)，如摻雜的LaGaO3(鎵酸鑭)。 目前絕大多數(shù)SOFC均采用8%Y2O3的氧化鋯為電解質(zhì)材料，并含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩(wěn)定度較高，不需要觸媒，在1000 oC的導(dǎo)電率約為0.1 S/cm。在制程方面，平板式SOFC電解質(zhì)隔膜通常采用帶鑄法(Strip Casting)制作，而管式SOFC則采用電化學(xué)蒸汽沉積法(electrochemical vapor deposition, EVD)制作電解質(zhì)隔膜。,雙極板及密封材料 雙極板在SOFC中扮演連接相鄰單電池陰極與陽極的作用，在平板式SOFC中，它

49、同時具有導(dǎo)氣的作用。目前SOFC雙極板材料主要有摻入鈣或鍶的鉻酸鑭(Ca-doped LaCrO3, LCC; Sr-doped LaCrO3, LSC)、鎳鉻合金以及不銹鋼等。其中LCC具有很好的抗高溫氧化性、良好的導(dǎo)電性、以及與SOFC其他元件相匹配的熱膨脹系數(shù)。然而LCC燒結(jié)性能較差，不易制作成型，而且材料價錢相當(dāng)高（占平板式SOFC總成本之80%），因此目前平板式SOFC普遍采用鎳鉻合金或不銹鋼作為雙極板材。 基本上，鎳鉻合金能夠滿足SOFC的物化要求，但缺點是長期穩(wěn)定性能較差，而不銹鋼則是目前平板式SOFC常用的雙級板材。,密封材料 高溫?zé)o機(jī)密封材料是平板式SOFC的關(guān)鍵材料之一，用

50、于組裝電池時在膜電極組和雙極板間的密封。高溫?zé)o機(jī)密封材料必須于高溫下密封性好、穩(wěn)定度高，以及與固態(tài)電解質(zhì)和雙極板材料的熱膨脹兼容性好等特點。 目前，各家廠商都將高溫密封技術(shù)列為保密項目，因此材料的具體成分都未公開，已知用于SOFC高溫密封材料主要為玻璃(如Prexy玻璃)或玻璃/陶瓷復(fù)合材料等。,SOFC發(fā)展趨勢,一般而言，SOFC操作溫度約為1000 oC，廢熱可回收再利用，主要用途有汽電共生、分散型發(fā)電、取代中規(guī)?；鹆Πl(fā)電，適用于家庭或社區(qū)的發(fā)電能源。 由SOFC專利技術(shù)的整體趨勢可以發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)發(fā)展重點從最早整體構(gòu)造設(shè)計及制造方式，發(fā)展到改良燃料氣體處理方式以提高利用率(SOFC效能取決

51、于是否能有效地降低歐姆極化、活化極化與濃度極化所造成的損失），顯示其逐漸產(chǎn)業(yè)化的趨勢。從應(yīng)用領(lǐng)域而言，固態(tài)電解質(zhì)材料為SOFC研究的技術(shù)研究重點，其次為電化學(xué)成分組成相關(guān)研究工作。,另外，早期開發(fā)出來的SOFC工作溫度較高，一般在8001000 oC，因此技術(shù)并不容易，且用來承受所產(chǎn)生的高溫建造材料價格昂貴。目前，科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)成功中溫SOFC，其工作溫度一般在800 oC左右，一些國家正努力開發(fā)低溫SOFC，其工作溫度甚至可降低至650700 oC。 日本TOTO公司甚至開發(fā)商用化SOFC，其操作溫度約為+500 oC，比現(xiàn)有SOFC操作溫度降低約250500 oC，絕熱片厚度大概可以減半到

52、僅3公分，因此有可能設(shè)計一個小型的燃料電池模組。溫度的下降是利用新開發(fā)的陶瓷電解質(zhì)及一個介于電解質(zhì)和燃料電極之間的反應(yīng)抑制層來達(dá)成，新開發(fā)的電解質(zhì)可在+500 oC下運作，但是在燒結(jié)程序中，有個問題產(chǎn)生，那就是燃料電極中鎳(Ni)的化學(xué)反應(yīng)；TOTO以新增加的抑制層避免這個問題，可減少一半內(nèi)部阻抗。工作溫度的進(jìn)一步降低，使得SOFC在日常生活中的實際應(yīng)用成為可能。,5.11 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC),前言,質(zhì)子交換膜型燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)，又稱固態(tài)高分子燃料電池(Solid polymer fuel cell,

53、SPFC)，以氫氣為燃料，以空氣或純氧為氧化劑，以高分子膜為電解質(zhì)傳導(dǎo)質(zhì)子，反應(yīng)生成物為水和熱，操作溫度在室溫至80度左右。 PEMFC是目前最受關(guān)注的燃料電池之一，主要應(yīng)用在小型發(fā)電組及交通工具的動力源輸出，如電動汽車、電動機(jī)車，可用來取代原本使用的內(nèi)燃機(jī)，目前PEMFC也是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池。,(1) 可長時間操作，壽命長； (2) 可以用空氣作氧化劑； (3) 室溫工作； (4) 電池中不含腐蝕性液體； (5) 可容忍大的壓力差； (6) 功率高，啟動快，體積小，重量輕。,(1) 電池整體費用高； (2) 高分子膜中水的管理問題； (3) CO容忍度不足，可能使觸媒失去功效

54、。,PEMFC優(yōu)點,PEMFC缺點,工作原理,電池溫度(temperature): 6080C 陽極(Anode): 鉑(Pt) supported on 碳粉(carbon) 陰極(Cathode):鉑(Pt) supported on 碳粉(carbon) 電解質(zhì)(Electrolyte): Perfluorinated sulfonic acid in solid polymer form (Nafion) 燃料需求: 高純度氫( CO 10 ppm),Anode (Hydrogen electrode) reaction: H2 2H+ + 2e Cathode (Oxygen ele

55、ctrode) reaction: O2 + 2H+ + 2e 2 H2O Net cell reaction:H2 + O2 H2O + We + Waste Heat,PEMFC,在PEMFC中，電解質(zhì)是以一片薄的聚合物膜（如：Perfluorosulphonic acid聚合物）和質(zhì)子能滲透但不導(dǎo)電的Nafion為電解質(zhì)；而電極基本由碳(含Pt)組成，氫氣流入燃料電池到達(dá)陽極，陽極催化劑促使氫氣電離，氧化生成氫離子（質(zhì)子）和電子，放出電子到外部電路，供給電力，氫離子則通過電解質(zhì)滲透到陰極；在陰極部分的催化劑促使質(zhì)子、氧氣和電子結(jié)合，進(jìn)行還原反應(yīng)生成水。 PEMFC電化學(xué)反應(yīng)如下：,PEMFC以氫氣為燃料，以空氣（氧氣）為氧化劑，因此反應(yīng)生成物只有水和熱，而水的管理是很重要的課題。此外，PEMFC工作溫度約為室溫至80度，在這樣低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常緩慢進(jìn)行，通常用每個電極上的一層薄的Pt膜進(jìn)行催化。當(dāng)使用碳?xì)浠衔镒鳛闅錃鈦碓磿r，除脫硫外更需將大量的CO去除，以避免鉑失去觸媒功效。 在電池反應(yīng)時，膜電極內(nèi)發(fā)生下列過程： （1）反應(yīng)氣體在擴(kuò)散層內(nèi)擴(kuò)散； （2）氣體在觸媒層被催化劑吸附發(fā)生電催化反應(yīng)； （3）質(zhì)子在質(zhì)子交換膜內(nèi)傳導(dǎo)到對側(cè)，同時，電子在電極內(nèi)傳導(dǎo)至集流板。,PEMFC構(gòu)造,質(zhì)子交換