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1、无机材料研究进展,材料科学与工程学院,刘旭俐,燃料电池的研究与应用,目录,一、引 言,1. 能源形式,2. 中国能源现状,3. 发电技术,二、燃料电池概述,1. 工作原理,2. 燃料电池发展历程,3. 燃料电池的类型,4. 国外燃料电池发展状况,5. 我国燃料电池发展状况,三、陶瓷膜燃料电池的研究进展,1. 电解质材料,2. 阳极材料,3. 阴极材料,4. 连接材料,一、引言 1. 能源形式,煤炭、石油、天然气、核能、 水力能、太阳能、风能、地热能 海洋能、生物质能和化学能等,1. 能源形式,一次能源：,可以从自然界直接获取的能源,（不可再生能源）,（可再生能源）,煤炭、石油、天然气、核能,无
2、法从自然界直接获取， 必须经过一次能源的消耗才能得到的能源,二次能源：,主要是电能，机械能和热能。,2. 中国能源现状,2. 中国能源现状,据资料显示，截止到2004年底我国： 石油剩余可采储量23亿吨，占世界总量的1.4% 天然气剩余可采储量2.23万亿m3，占世界总量的1.2% 煤炭剩余可采储量1145亿吨，占世界总量的12.6% 水力资源占世界总量的30%,能源储量,能源结构,(2004年),表 1 中国能源消费与生产结构,表 2 国内外能源消费结构比较,3. 发电技术,在一次能源的消费中， 发电消费所占的比重最大，大约为1/ 3.,发电工业：,注重“经济、可靠、安全” 突出“高效、洁净
3、”的要求,发电技术：,近期注重提高效率,降低污染;,远期注重可再生能源发电.,发电技术类型：,火力发电,水力发电,核能发电,潮汐发电,太阳能发电,风力发电,地热能发电,生物质发电,燃料电池,火力发电,利用煤、石油和天然气等化石燃料所含能量发电。,发电厂由锅炉、汽轮机、发电机三大主要设备 和相应的辅助设备组成。,热能,机械能,电能,燃料在锅炉中燃烧，把水变成高温、高压的蒸汽、 冲动汽轮机旋转，汽轮机带动发电机发电， 经升压变压器把电压升高后送至电网。,水力发电,利用具有落差的水力推动水轮机转动， 水轮机带动发电机发电,势能,机械能,电能,核能发电,用铀制成核燃料在“反应堆” 内裂变产生热能， 再
4、用高压水把热能带至蒸汽发生器内产生蒸汽， 蒸汽推动汽轮机，带着发电机一起旋转产生电，,热能,机械能,电能,化学能,其它发电技术,潮汐发电:,太阳能发电:,风力发电:,地热能发电:,利用半导体材料的光伏效应， 将太阳光辐射能直接转换为电能,利用风力,通过叶轮将风能转化为机械能， 带动发电机发电转化为电能,把地下热能转变为机械能， 然后再把机械能转变为电能,把海水涨落的水位差产生的势能转变 为机械能，然后再把机械能转变为电能,1、氢气利用,氢在世界上的储量极其丰富，又不具有环境污染， 多年来一直被认为是未来的能源载体，人们普遍认为 氢和电在将来会成为互补的能源载体，氢有一些与电 有关的独特的性能，
5、这些独特的性能使得它成为理想 的能源载体或燃料。,二、燃料电池概述 1. 能源形式,二、燃料电池概述,1）氢像电一样可以从任何能源中得到； 2）氢可以由电获得并以相对高的效率转换成电； 3）获取氢的原材料和氢使用后的产物都是水或水蒸气， 因此氢是完全可再生的燃料； 4）氢可以以气态、液态、金属氢化物、形式储存； 5）氢能够借助于管道和钢瓶进行长距离运输； 6）氢可通过催化燃烧、电化学转换和氢化物 转换成其他形式能源； 7）氢是对环境无害的能源。, 氢的独特性能,1、氢气利用,利用氢作为能源，重点要解决的是其储存和运输问题。 根据储氢机制，储氢方式主要分为化学方式（氢化物等）和 物理方式（压缩、
6、冷冻、吸附）。,* PO表示便携领域，TR表示运输，CHP表示能量生产,表4-1 不同储氢方法特性,燃料电池是继水电、火电、核电之后第四代工业规模 的发电装置和替代内燃机的动力装置,2、 燃料电池基本概念,燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学装置，将存在于燃料与 氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。,单体电池是由正、负两极（负极即燃料电极、正极即氧化剂电极） 以及电解质组成； 从外表上看像一个蓄电池，但实质上它不能“储电” 而是一个“发电厂”。,2、燃料电池基本概念,电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，在电极上进行反应。 （只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发
7、电）,燃料电池必须有一套相应的辅助系统才能工作，包括： 反应剂供给系统、排热系统、排水系统、 电性能控制系统及安全装置等。,图1 燃料电池工作原理示意图,3、燃料电池工作原理与结构,3、工作原理与结构,1/2O2 + 2e- O2-,H2 + O2- 2H2O + 2e-,电池反应:,阴极,阳极,H2 + 1/2O2=H2O,H2 =2H+ + 2e-,2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O,氧离子传导型,质子传导型,电解质,表1 各种燃料电池反应原理,图2 燃料电池结构示意图,4、燃料电池发展历程,1839年英国Grove爵士也发现了燃料电池现象，并于1842年制成了第一个真正意义上的燃
8、料电池系统。,4、燃料电池发展历程,1838年德国物理学和化学教授Schonbein发明了燃料电池, 使用两个由白金组成的电极插入电解液里，当有氢气和氧气 在电解液里时，在两极间会产生电压。,1889年Mood和Langer制成第一台实用的燃料电池， 获得200mA/m2电流密度，并首次采用燃料电池这一名称。,1959年推出第一台燃料电池机动车，它是一台拖拉机。,1950年代英国剑桥大学Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。,1960年美国成功地在阿波罗登月飞船上应用燃料电池， 从此广泛应用于宇航领域；同时兆瓦级磷酸燃料电池研制成功。,（由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上
9、， 燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展）,1982年开发了第一台使用由PEM组成的燃料电池系统潜艇,2000年德国由MAN公司推出燃料电池公交车并运行了一年时间。,2005年日本HONDA推出50KW的燃料电池轿车,2006年三星公司推出燃料电池笔记本,从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等 各个领域中得到应用。,5、燃料电池特点,（1）能量转化效率高 燃料电池系统转换效率在45%60% 火力发电和核电的效率大约在30%40%,（5）负荷响应快，运行质量高 可改善地区频率偏移和电压波动， 降低了现有变电设备和电流载波容量， 减少了输变线路投资和线路损失。,（4）积
10、木化强 电站功率可根据需要由电池堆组装， 占地面积小，建设周期短，规模及安装地点灵活。,（3）燃料适用范围广,（2）有害气体及噪音排放都很低、无机械振动,目前有5种燃料电池类型,其名称与采用的相应电解质有关,碱性燃料电池（AFC）,质子交换膜燃料电池（PEMFC）,磷酸型燃料电池（PAFC）,熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）,固体氧化物燃料电池（SOFC）,采用氢氧化钾溶液作为电解液,效率很高（可达60一90），但对杂质很敏感，需采用 纯氢气和氧气,限制其用于宇宙飞行及国际工程等。,碱性燃料电池（AFC）,6、燃料电池的类型,5、燃料电池的类型,表3 燃料电池分类及技术比较,按其工作温度分为低温
11、燃料电池和高温燃料电池：,碱性燃料电池（AFC，工作温度为100）、 质子膜燃料电池（PEMFC，工作温度为100以内） 磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200）,熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650） 固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000）,按开发时间顺序进行分类： 磷酸型燃料电池称为第一代燃料电池 熔融碳酸盐称为第二代燃料电池 固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池,7、 国外燃料电池总体发展状况,发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目， 企业界也纷纷斥巨资从事燃料电池技术的研究与开发， 现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代 传统发电机及内燃机而
12、广泛应用于发电及汽车上。,2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入 商业化生产，各等级燃料电池发电厂相继在一些发达 国家建成。,7、 国外燃料电池总的发展状况,表4 国外燃料电池研究状态,ONSI公司PC25C型PAFC 电站 可以提供200kW电力,西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂 可以提供110kW的电力和64kW的热,安装在柏林的250kW PEMFC燃料电池电站,8、我国燃料电池总体发展状况,1958年，原电子工业部天津电源研究所 最早开展了MCFC的研究。,70年代在航天事业的推动下，出现第一次研究高潮； 中科院大连化学物理所研制成功两种碱性石棉膜型 氢氧燃料电池系
13、统（千瓦级AFC）通过了例行航天 环境模拟试验。,8、 我国燃料电池总的发展状况,1990年中科院长春应用化学所承担中科院PEMFC 的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜 燃料电池（DMFC）的研究。,1991年电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所研制 出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。,“八五”期间，中科院大连化物所、上海硅酸盐研究所、 化工冶金研究所 、清华大学等国内十几个单位进行了 与SOFC的有关研究。,燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划，质子交换膜燃 料电池被列为重点,1990年代中期，中国进入燃料电池研究的第二个高潮。,以大连化物所为牵头单位，全面开展了质子交换膜
14、燃料 电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、 1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。,表5 目前国内从事燃料电池研究的机构,1. 中国的质子交换膜燃料电池已达到装车技术水平；,我国燃料电池的研究工作已表明：,2. 大连化物所质子交换膜燃料电池是具有我国自主 知识产权的高技术成果；,3. 在燃料电池研究方面，我国可以与世界发达国家 进行竞争，在市场份额方面，我国可以占有并且 有能力占有一定比例。,但：我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有 较大的差距，目前仍处于研制阶段。,9、燃料电池材料基础与应用,1）碱性燃料电池,碱性燃料电池（AFC）电池堆是由一定大小的电
15、极板、 一定数量的单电池层压或用端板固定在一起而成。,AFC是最先得到应用的燃料电池， 1960年用于美国阿波罗计划； 1981年用于美国航天； 至今美国第三代航天飞机仍用碱性石棉膜型氢氧燃料电池。,AFC中空气作为氧化剂时，CO2对电池性能 有不利影响，制约着AFC应用于交通工具。,9、燃料电池材料基础与应用,隔膜材料一般使用石棉； 因石棉具有致癌作用，为了寻求替代材料，有的 科学工作者研究了聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSF） 以及聚四氟乙烯（PTFE）等材料，它们都有允许 液体穿透而有效阻止气体通过的特点，具有较好的 抗腐蚀性和较小的电阻,电极一般采用聚砜和聚丙烯等合成树脂；,燃料极催化剂
16、：除了使用铂、钯之外，还有碳载铂或雷尼镍； 空气极催化剂：高功率输出时需要采用金、铂、银， 实际应用时一般采用表面积大、耐腐蚀性好的 乙炔炭黑或碳等载铂或银；,AFC是最先得到应用的燃料电池 1960用于美国阿波罗计划； 1981年用于美国航天； 至今美国第三代航天飞机仍用碱性石棉膜型氢氧燃料电池,1970S中科院大连化物所研制成功2种碱性石棉膜型氢氧燃料电池； 2008年武汉大学化学学院庄林教授团队研制出碱性聚合物电解质燃料电池。,2）磷酸盐燃料电池,PAFC的电解质为浓磷酸水溶液， 电极均采用碳的多孔体， 以Pt作为催化剂， 富氢气体（如天然气、重整气）为燃料， 氧气为氧化剂， 在由碳支撑的催化剂颗粒表面进行电化学反应。,磷酸盐燃料电池（PAFC）是以磷酸为电解质， 在200左右下工作的燃料电池。,PAFC的电解质是酸性，不存在像AFC那样由CO2造成的 电解质变质，可以使用化石燃料重整得到的含有CO2的气体。,值得注意的是在PAFC
