燃料电池 课件【深度荟萃】

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1、燃料电池燃料电池课件课件Fuel cellFuel cell主要内容主要内容1. 1. 燃料电池介绍燃料电池介绍2. 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4. 4. 磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池材料材料5. 5. 直接醇类燃料电池直接醇类燃料电池材料材料6. 6. 熔融碳酸盐燃料电池材料熔融碳酸盐燃料电池材料7. 7. 固体氧化物燃料电池材料固体氧化物燃料电池材料8. 8. 金属金属/ /空气燃料电池材料空气燃料电池材料9. 9. 燃料电池的应用与前景燃料电池的应用与前景1. 1. 燃料电池介绍燃料电池介绍3.1.1 简介简介 (1)

2、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 燃料电池燃料电池燃料电

3、池燃料电池化学能化学能 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(2) 燃料电池发展过程中的重大事件燃料电池发展过程中的重大事件 1839年，格罗夫发明年，格罗夫发明“气体伏打电池气体伏打电池”，格罗夫也被称，格罗夫也被称为为“燃料电池之父燃料电池之父”； 1889年，蒙德和朗格尔改进氢氧年，蒙德和朗格尔改进氢氧“气体电池气体电池”并正式确并正式确定其名称为定其名称为“燃料电池燃料电池”； 1896年，雅克研制成功第一个数百瓦（大约年，雅克研制成功第一个数百瓦（大约300瓦）的煤瓦）的煤燃料电池；燃料电池； 1897年，能斯特发明年，能斯特发明“能斯特

4、物质能斯特物质”-YSZ（85%ZrO2+15%Y2O3),该物质是目前广泛使用的高温该物质是目前广泛使用的高温固固体氧化物燃料电池体氧化物燃料电池的电解质材料；的电解质材料； 1899年，施密特发明第一个空气扩散电极；年，施密特发明第一个空气扩散电极； 1959年，培根和弗洛斯特研制成功年，培根和弗洛斯特研制成功6KW碱性燃料电池系碱性燃料电池系统统,并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机；并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机； 1959年，艾丽斯年，艾丽斯-查尔莫斯公司开发出第一辆碱性燃料电查尔莫斯公司开发出第一辆碱性燃料电池拖拉机，可以推动池拖拉机，可以推动3000lb(1lb=0.4536kg)的重

5、物；的重物； 1960年，通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电池；年，通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电池； 1962年，质子交换膜燃料电池应用于双子星座飞船；年，质子交换膜燃料电池应用于双子星座飞船； 1965年，碱性燃料电池用于阿波罗登月飞船；年，碱性燃料电池用于阿波罗登月飞船； 1967年，通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽年，通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽车车Electrovan； 1970年，科尔地什组装了第一辆年，科尔地什组装了第一辆碱性燃料电池碱性燃料电池-铅酸电池铅酸电池混合动力轿车；混合动力轿车； 1972年，杜邦公司和格罗特发明了全氟磺酸质子交换膜；年，杜

6、邦公司和格罗特发明了全氟磺酸质子交换膜； 1979年，在美国纽约完成了年，在美国纽约完成了4.5MW磷酸燃料电池电厂的磷酸燃料电池电厂的测试；测试； 1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发成功第）开发成功第一辆磷酸燃料电池公共汽车；一辆磷酸燃料电池公共汽车； (2) 燃料电池发展过程中的重大事件燃料电池发展过程中的重大事件 1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室开发成功第一辆磷酸燃年，洛斯阿拉莫斯国家实验室开发成功第一辆磷酸燃料电池公共汽车；料电池公共汽车； 1988年，第一艘年，第一艘碱性碱性燃料电池潜艇在德国出现；燃料电池潜艇在德国出现； 1991年，日

7、本千叶县的年，日本千叶县的11MW磷酸燃料电池试验电厂达到磷酸燃料电池试验电厂达到设计功率；设计功率； 1993年，巴拉德电力系统公司开发成功第一辆质子交换膜年，巴拉德电力系统公司开发成功第一辆质子交换膜燃料电池公共汽车；燃料电池公共汽车； 1996年，美国加利福尼亚州的年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池试验电厂开始供电；试验电厂开始供电； -(2) 燃料电池发展过程中的重大事件燃料电池发展过程中的重大事件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如右下图所示在阳极（负极）典型的燃料电池的构造

8、如右下图所示在阳极（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

9、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

10、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

11、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且并且不同类型的燃料电池的电极

12、反应各不同类型的燃料电池的电极反应各有不同，但都是由阴极有不同，但都是由阴极阳极阳极电电解质这几个基本单元构成，其工作解质这几个基本单元构成，其工作原理是一致的。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

13、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

14、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

15、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

16、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。

17、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

18、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（产物再生为产物再生为反应物）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生放射化学再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

19、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（特别是阳离子交换膜）离子交换膜）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

20、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

21、 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

22、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

23、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

24、(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 在燃料在燃料电电池中池中,燃料不是被燃燃料不是被燃烧变为热烧变为热能能,而是而是直接直接发电发电, 不受卡不受卡诺热诺热机效率的限制。机效率的限制。理论上讲，理论上讲，燃料电池可将燃料能量的燃料电池可将燃料能量的90%转化为可

25、利用的电转化为可利用的电和热，实际效率可望在和热，实际效率可望在80%以上以上 。这样的高效率。这样的高效率是史无前例的。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。 封封闭闭体系蓄体系蓄电电池与外界没有物池与外界没有物质质的交的交换换, 比能量不会比能量不会随随时间变时间变化化,但是燃料但是燃料电电池由于不断池由于不断补补充燃料充燃料,随着随着时间时间延延长长,其其输输出能量也越多。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

26、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，而汽轮机，而汽轮机为为0.5。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为燃烧。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；电电池池组组合是模合是模块结块结构构, , 维

27、维修方便；修方便；处处于于额额定功率以上定功率以上过载过载运行运行时时, ,它也能承它也能承受而效率受而效率变变化不大；当化不大；当负载负载有有变变化化时时, ,它的响它的响应应速度也快。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

28、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

29、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

30、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，

31、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

32、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。

33、（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

34、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

35、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。

36、 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工作电站接近商业化。工作电站接近商业化。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

37、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几瓦瓦 1KW5 200KW200KW1MW220MW100-300MW3.1.8 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

38、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

39、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2. 2. 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池材料材料 关关键键部部件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

40、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

41、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)电池组均采用无孔纯石墨双电池组均采用无孔纯石墨双极板。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

42、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

43、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

44、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l美国美国Los Alamos国家实验室开发了金属基复合双国家实验室开发了金属基复合双极板，该金属基复合双极板综合了多孔石墨、聚极板，该金属基复合双极板综合了多孔石墨、聚碳酸酯塑料和不锈钢等材料的优点。这种复合材碳酸酯塑料和不锈钢等

45、材料的优点。这种复合材料稳定性好，成本低。料稳定性好，成本低。l美国美国Los Alamos国家实验室和国家实验室和Energy Partners公公司将石墨粉与热塑性树脂均匀混合，有时还需要司将石墨粉与热塑性树脂均匀混合，有时还需要加入催化剂、阻滞剂、脱模剂和增强剂，在一定加入催化剂、阻滞剂、脱模剂和增强剂，在一定温度下模压成型。该材料具温度下模压成型。该材料具有制作工艺简单、周有制作工艺简单、周期短、成本低及易于规模化生产的优点。期短、成本低及易于规模化生产的优点。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

46、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

47、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（1）全氟磺酸膜全氟磺酸膜l这种膜的结构颇似聚四氟乙烯（这种膜的结构颇似聚四氟乙烯

48、（PTFE），因此具），因此具有极高的化学稳定性，尤其是在强氧化还原条件有极高的化学稳定性，尤其是在强氧化还原条件下。下。l和磷酸电解质相比，该膜是一种较为理想的电化和磷酸电解质相比，该膜是一种较为理想的电化学反应介质。贵金属催化剂在该介质中对氧化还学反应介质。贵金属催化剂在该介质中对氧化还原反应的催化活性比较高。原反应的催化活性比较高。l在低湿度或高温条件下因为缺水导致电导率低。在低湿度或高温条件下因为缺水导致电导率低。涉及问题涉及问题l水管理问题水管理问题 全氟型磺酸膜具有很高的全氟型磺酸膜具有很高的质子电导率，但质子是以水合离子的质子电导率，但质子是以水合离子的形式存在的形式存在的l一氧

49、化碳的中毒效应及燃料的选择一氧化碳的中毒效应及燃料的选择l冷却和热的回收问题冷却和热的回收问题 缺点缺点l制作困难、成本高制作困难、成本高l对温度和含水量要求高，最佳工作温对温度和含水量要求高，最佳工作温度为度为70-90，超过此，超过此温度温度会使其含水会使其含水量急剧下降，导电性迅速下降量急剧下降，导电性迅速下降l某些碳氢化合物，如甲醇等渗透率较某些碳氢化合物，如甲醇等渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池的高，不适合用作直接甲醇燃料电池的质子交换膜质子交换膜（2）全氟型磺酸膜的改性全氟型磺酸膜的改性水平衡涉及到的机理：水平衡涉及到的机理：u通过加湿反应气体带入的水分通过加湿反应气体带入的

50、水分u在电极一侧有电化学反应生成的水在电极一侧有电化学反应生成的水u在电场作用下水从阳极向阴极的电渗传输在电场作用下水从阳极向阴极的电渗传输u在浓差作用下水从阴极向阳极的扩散在浓差作用下水从阴极向阳极的扩散u阴极空气尾气带走的水分阴极空气尾气带走的水分l减少膜的厚度以有利于水的扩散减少膜的厚度以有利于水的扩散l在膜中掺杂吸水性的氧化物纳米级颗在膜中掺杂吸水性的氧化物纳米级颗粒或固体无机质子导体颗粒粒或固体无机质子导体颗粒用非水或低挥发性溶剂溶胀的全氟性磺酸膜用非水或低挥发性溶剂溶胀的全氟性磺酸膜l早在早在1994年年Savinell等尝试用磷酸处理等尝试用磷酸处理Nafion膜，膜，在在150

51、下得到的电导率为下得到的电导率为0.05 S/cm。但是组装但是组装电池没有成功，不过提供了一条很好的思路。电池没有成功，不过提供了一条很好的思路。lDoyle等采用等采用3-甲基三氟咪唑和甲基三氟咪唑和3-甲基三氟硼酸盐甲基三氟硼酸盐来溶胀全氟型磺酸膜，在来溶胀全氟型磺酸膜，在180 下得到的电导率下得到的电导率达到达到0.1 S/cm。l另一种最有可能代替水的有机溶剂是杂环化合物，另一种最有可能代替水的有机溶剂是杂环化合物，如咪唑、吡唑或苯并咪唑等。如咪唑、吡唑或苯并咪唑等。Kreuer等向硫酸中等向硫酸中加入杂环化合物后发现浓度为加入杂环化合物后发现浓度为100%的硫酸溶液的的硫酸溶液的

52、电导有显著增加。电导有显著增加。Sun等制备了咪唑和咪唑盐溶液等制备了咪唑和咪唑盐溶液溶胀的无水溶胀的无水Nafion膜，在膜，在100 下的无水电导率下的无水电导率为为10-3 S/cm.含聚四氟乙烯的超薄膜含聚四氟乙烯的超薄膜超薄膜超薄膜的优点的优点减小膜的比电阻减小膜的比电阻降低材料成本降低材料成本改善水在膜中的传输和分布改善水在膜中的传输和分布但技术上的难点是超薄膜的机械强度低，但技术上的难点是超薄膜的机械强度低，尤其是水溶胀和高温条件下。尤其是水溶胀和高温条件下。l近年来，用多孔聚四氟乙烯加强的复合膜，把这近年来，用多孔聚四氟乙烯加强的复合膜，把这种愿望变成现实。种愿望变成现实。l对

53、采用多孔聚丙烯、膨胀的聚四氟乙烯、聚砜和对采用多孔聚丙烯、膨胀的聚四氟乙烯、聚砜和微玻璃纤维绒等复合膜也进行了初步的探索。微玻璃纤维绒等复合膜也进行了初步的探索。l这些强化膜可以做到这些强化膜可以做到5-30 m厚，且具有良好的厚，且具有良好的导电和力学性能。因和力学性能。因为膜薄，水从阴极到阳极的反膜薄，水从阴极到阳极的反扩散得到加散得到加强，水的管理以及膜的平均，水的管理以及膜的平均电导得到得到改善。改善。含有吸湿性氧化物的复合膜含有吸湿性氧化物的复合膜 l将全氟型磺酸膜改性的另一有效方法是二次浇注含有吸湿将全氟型磺酸膜改性的另一有效方法是二次浇注含有吸湿性氧化物如性氧化物如SiO2和和T

54、iO2等的复合膜。等的复合膜。l实验表明，含有这些氧化物的复合膜的吸水性高于一般的实验表明，含有这些氧化物的复合膜的吸水性高于一般的Nafion膜。膜。l对于二次浇注成膜并经过对于二次浇注成膜并经过80干燥处理过的干燥处理过的Nafion膜，在膜，在60 下的水蒸气中可以吸水下的水蒸气中可以吸水17%（质量（质量),而含有而含有3%（质（质量）尺寸为量）尺寸为7nm的的SiO2颗粒的复合膜，其吸水性则为颗粒的复合膜，其吸水性则为43%（质量）。（质量）。l开发这样改性膜的一个出发点是为了实现低温电池运行时开发这样改性膜的一个出发点是为了实现低温电池运行时的内加湿或称自加湿技术。后来采用这种复合

55、膜也实现了的内加湿或称自加湿技术。后来采用这种复合膜也实现了电池的高温运转。电池的高温运转。l该法的功能是单一的，即改善水的保持。该法的功能是单一的，即改善水的保持。含有固体无机质子导体的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜无机固体无机固体质子导体质子导体磷酸氢锆磷酸氢锆杂多酸杂多酸酸式盐酸式盐含有固体无机质子导体的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜无机固体无机固体质子导体质子导体磷酸氢锆磷酸氢锆杂多酸杂多酸酸式盐酸式盐具有很好的质子交换能力，具有很好的质子交换能力，有有、两类层状结构化合物，两类层状结构化合物，300的温度范围内具有很好的温度范围内具有很好的质子导电能力的质子导电能力含有固体无

56、机质子导体的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜无机固体无机固体质子导体质子导体磷酸氢锆磷酸氢锆杂多酸杂多酸酸式盐酸式盐其其 晶晶 体结构中有体结构中有29个个结结 晶晶 水，具有很高的水，具有很高的质子电导率，近年来质子电导率，近年来更大的研究兴趣是用更大的研究兴趣是用于复合膜的开发于复合膜的开发含有固体无机质子导体的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜无机固体无机固体质子导体质子导体磷酸氢锆磷酸氢锆杂多酸杂多酸酸式盐酸式盐MHXO4, M是大尺寸是大尺寸的金属质点，如的金属质点，如Rb,Cs24或者或者NH4+, X是是S、Se、P或或As。 CsHSO4随温度升高，经过多步的相变，随温度升高

57、，经过多步的相变，在温度高于在温度高于141时，其氢时，其氢键键处于动态无序处于动态无序的网络状态，因此具有较高的质子电导率，的网络状态，因此具有较高的质子电导率，可达可达 10-2S/cm数量级。具有较高的热稳定性数量级。具有较高的热稳定性和电化学稳定性，且其电导率和周围气氛和电化学稳定性，且其电导率和周围气氛中的相对湿度无关。对它研究更多的努力中的相对湿度无关。对它研究更多的努力是制作燃料电池的复合膜。是制作燃料电池的复合膜。含固体无机质子导体复合膜的制备含固体无机质子导体复合膜的制备 制备制备方法方法将单一或多元的无机组分，例如将单一或多元的无机组分，例如杂多酸直接混入高分子溶液中进杂多

58、酸直接混入高分子溶液中进行二次浇注行二次浇注通过离子交换沉淀的方法将磷通过离子交换沉淀的方法将磷酸锆引进到全氟型磺酸膜中酸锆引进到全氟型磺酸膜中l因为其亲水性，这些无机组分的存在将降低膜中水的化学因为其亲水性，这些无机组分的存在将降低膜中水的化学势，为质子的传输提供额外的动力。同时，还为水提供了势，为质子的传输提供额外的动力。同时，还为水提供了新的形成氢键的位置，从而改善膜的水合程度并减少水的新的形成氢键的位置，从而改善膜的水合程度并减少水的挥发和迁移损失。这样的复合膜可以实现低湿和挥发和迁移损失。这样的复合膜可以实现低湿和/或高温下或高温下电池的运行。电池的运行。 lStaiti等用二氧化硅

59、支持的磷钨酸与等用二氧化硅支持的磷钨酸与Nafion的混合溶液浇注的混合溶液浇注的复合膜，在的复合膜，在145下进行了直接甲醇燃料电池试验，得下进行了直接甲醇燃料电池试验，得到的最大功率为到的最大功率为400mW/cm2(氧气氧气）和和250mW/cm2(空气空气）。lYang等制备了等制备了Nafion115-磷酸锆复合膜，在磷酸锆复合膜，在150 下的直下的直接甲醇电池试验，得到了最大功率为接甲醇电池试验，得到了最大功率为380mW/cm2(氧气氧气）和和260mW/cm2(空气）。空气）。（3）非全氟磺酸膜及其复合膜）非全氟磺酸膜及其复合膜 近年来对非全氟的、特别是磺近年来对非全氟的、特

60、别是磺化的碳氢高分子膜的开发研究工作化的碳氢高分子膜的开发研究工作非常活跃。非常活跃。非全氟高分子非全氟高分子材料的类型材料的类型含氟高分子材料含氟高分子材料聚硅氧烷聚硅氧烷芳香族高分子碳氢化合物芳香族高分子碳氢化合物C-HC-CC-F350-435350-410485几个键的键能（几个键的键能（kJ/mol) 因此含有因此含有C-F键的高分子材料具有良好的热和化键的高分子材料具有良好的热和化学稳定性，例如聚四氟乙烯。学稳定性，例如聚四氟乙烯。l聚四氟乙烯聚四氟乙烯-六氟丙烯（六氟丙烯（FEP)膜的研究工作主要是膜的研究工作主要是瑞士瑞士Scherer教授的研究组进行的。教授的研究组进行的。

61、FEP膜首先经膜首先经辐射处理，然后以联乙烯苯为交联剂，将苯乙烯辐射处理，然后以联乙烯苯为交联剂，将苯乙烯基团连接上去，最后通过磺化芳香基团使其成为基团连接上去，最后通过磺化芳香基团使其成为质子导体。最近报道，采用这种膜在质子导体。最近报道，采用这种膜在85实现了实现了电池运行寿命电池运行寿命5000h以上。以上。l聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF)的主要研究工作是芬兰的的主要研究工作是芬兰的Sundholm教授的研究组进行的。通过把物理化学教授的研究组进行的。通过把物理化学稳定性好的稳定性好的PVDF和电导率高的磺化聚苯乙烯结合和电导率高的磺化聚苯乙烯结合，得到的膜具有较好的吸水性和较高

62、的电导率。，得到的膜具有较好的吸水性和较高的电导率。非全氟高分子非全氟高分子材料的类型材料的类型含氟高分子材料含氟高分子材料聚硅氧烷聚硅氧烷芳香族高分子碳氢化合物芳香族高分子碳氢化合物lSi-O键的键能为445kJ/mol,略高于C-H键和C-C键。l一般地，无机Si-O网络是在高温下形成的。l用芳基磺酸或烷基磺酸化的苯环，得到的聚苯磺酸硅氧烷，室温电导率为10-2S/cm,且在200以下具有良好的化学和热稳定性以及透明性。非全氟高分子非全氟高分子材料的类型材料的类型含氟高分子材料含氟高分子材料聚硅氧烷聚硅氧烷芳香族高分子碳氢化合物芳香族高分子碳氢化合物l芳香高分子碳氢化合物一般说来价格低廉。

63、从化学角度，其芳香高分子碳氢化合物一般说来价格低廉。从化学角度，其具有良好的抗氧化能力，因为苯环中的具有良好的抗氧化能力，因为苯环中的C-H键的键能为键的键能为435kJ/mol,高于线性高于线性C-H键的键能（键的键能（350kJ/mol).l完全由苯环构成的高分子材料如聚对亚苯具有非常好的抗氧完全由苯环构成的高分子材料如聚对亚苯具有非常好的抗氧化性能和高于化性能和高于500的软化温度，但缺少柔韧性且难以加工的软化温度，但缺少柔韧性且难以加工成型。所以较多的是在苯环链上带有一个或多个使其柔韧化成型。所以较多的是在苯环链上带有一个或多个使其柔韧化的原子或原子团。的原子或原子团。l聚苯聚苯硫硫醚

64、（醚（PPS)带有硫原子，聚苯醚带有硫原子，聚苯醚(PPO) 中带有氧原子。中带有氧原子。PPS一般呈晶体，熔化温度为一般呈晶体，熔化温度为285 ，在连续使用温度，在连续使用温度200 以上具有很好的抗氧化性能。以上具有很好的抗氧化性能。 PPO中的中的-C-O-C-链本身具链本身具有良好的柔韧性和抗氧化性能。有良好的柔韧性和抗氧化性能。 为了得到质子导电能力，一般将为了得到质子导电能力，一般将高分子碳氢化合物进行后功能化处理，高分子碳氢化合物进行后功能化处理，即通过化学反应将一个阴离子基团，即通过化学反应将一个阴离子基团，最典型的是磺酸基最典型的是磺酸基（-SO3-)引引进到碳氢进到碳氢结

65、构中。结构中。 非全氟高分子材料的磺化非全氟高分子材料的磺化l利用浓硫酸、氯磺酸，三氧化硫或其与三利用浓硫酸、氯磺酸，三氧化硫或其与三乙基磷酸盐的络合物进行直接磺化。乙基磷酸盐的络合物进行直接磺化。l锂化锂化-亚磺酸化亚磺酸化-再氧化法。再氧化法。l把一个含有磺酸的基团通过化学反应嫁接把一个含有磺酸的基团通过化学反应嫁接到高分子链上。到高分子链上。l经辐射处理和交联联接，再磺化芳香基团。经辐射处理和交联联接，再磺化芳香基团。l采用带有磺酸基团的单体进行合成。采用带有磺酸基团的单体进行合成。广泛研究的磺化体系广泛研究的磺化体系广泛研究体系广泛研究体系聚砜或聚乙烯砜聚砜或聚乙烯砜聚苯并咪唑聚苯并咪

66、唑 聚酰亚胺聚酰亚胺聚对亚苯聚对亚苯聚苯硫醚聚苯硫醚聚苯醚聚苯醚聚聚4-苯氧苯甲酰基苯氧苯甲酰基-1，4-亚苯亚苯非全氟性磺酸膜的性质及应用非全氟性磺酸膜的性质及应用l对于非全氟性磺酸膜，特别是高分子碳氢膜，碳氢主链的对于非全氟性磺酸膜，特别是高分子碳氢膜，碳氢主链的疏水性以及磺酸基团的酸性和极性却相对较弱，所以水分疏水性以及磺酸基团的酸性和极性却相对较弱，所以水分子可以相对较好的分散在碳氢膜的纳米结构中。对于大多子可以相对较好的分散在碳氢膜的纳米结构中。对于大多数碳氢膜来说，在相对湿度很高（数碳氢膜来说，在相对湿度很高（接近接近100%）时，其吸时，其吸水能力远低于全氟性磺酸膜，而在低湿度范

67、围内，其吸水水能力远低于全氟性磺酸膜，而在低湿度范围内，其吸水能力与全氟性磺酸膜接近。能力与全氟性磺酸膜接近。l用烷基磺酸磺化时，烷基链以及支链的长度能够显著影响用烷基磺酸磺化时，烷基链以及支链的长度能够显著影响膜的吸水性、电导率、电导率对温度的依赖关系和热稳定膜的吸水性、电导率、电导率对温度的依赖关系和热稳定性等。性等。l高的电导率可以通过磺化度来获得，但高磺化度会导致膜高的电导率可以通过磺化度来获得，但高磺化度会导致膜的溶胀加剧，并因此将地膜的机械强度，特别是在较高的的溶胀加剧，并因此将地膜的机械强度，特别是在较高的使用温度下。解决该问题的方法目前有两种：加强聚合物使用温度下。解决该问题的

68、方法目前有两种：加强聚合物的交联和制备有机的交联和制备有机-无机复合膜。无机复合膜。l磺化膜的热稳定性主要受磺酸基团分解的局限。磺化膜的热稳定性主要受磺酸基团分解的局限。对于大多数非全氟性磺酸膜，膜中的磺酸基团在对于大多数非全氟性磺酸膜，膜中的磺酸基团在空气中可以稳定存在到空气中可以稳定存在到280左右。左右。l在燃料电池的阴极电极反应过程中生成的在燃料电池的阴极电极反应过程中生成的H2O2一一极极-OH或或/和和-OOH自由基会侵蚀膜中的碳氢键，自由基会侵蚀膜中的碳氢键，造成膜的降解。造成膜的降解。l至今为止，关于非全氟型磺酸膜的长期电池寿命至今为止，关于非全氟型磺酸膜的长期电池寿命的实验数

69、据非常有限。的实验数据非常有限。lFaure等用磺化的聚酰亚胺等用磺化的聚酰亚胺膜膜在在70 的电池实验的电池实验进行了进行了3000小时以上。小时以上。有机有机-无机复合膜无机复合膜复合目的：复合目的： 通过引进吸水性的无机组分以改善膜的自我保湿通过引进吸水性的无机组分以改善膜的自我保湿能力；能力； 减小水的电渗曳引系数以缓解膜在阳极一侧的脱减小水的电渗曳引系数以缓解膜在阳极一侧的脱水干化；水干化； 减小燃料（即减小燃料（即DMFC中的甲醇）在膜中的透过滤；中的甲醇）在膜中的透过滤； 改善膜的力学性能而不牺牲膜的电导率，因为通改善膜的力学性能而不牺牲膜的电导率，因为通过提高磺化度来提高电导率

70、时往往伴有膜的机械过提高磺化度来提高电导率时往往伴有膜的机械强度的下降，反之亦然；强度的下降，反之亦然； 改善膜的热稳定性；改善膜的热稳定性； 当引进的无机组分是质子导体时可能改善膜的电导当引进的无机组分是质子导体时可能改善膜的电导率。率。有机有机6部分部分全氟磺酸膜全氟磺酸膜聚乙烯醚聚乙烯醚聚苯并咪唑聚苯并咪唑磺酸化的聚苯乙烯磺酸化的聚苯乙烯聚砜聚砜其他其他 固态无固态无机组分机组分氧化物如无定型二氧化硅氧化物如无定型二氧化硅29质子导体特别是二氧化硅质子导体特别是二氧化硅支持的质子导体支持的质子导体(4)酸碱高分子膜酸碱高分子膜酸碱高酸碱高分子膜分子膜碱性聚合物与无碱性聚合物与无机酸络合得

71、到机酸络合得到酸性聚合物和碱性酸性聚合物和碱性聚合物混合得到聚合物混合得到 碱性聚合物与无机酸的络合反应是开发质子碱性聚合物与无机酸的络合反应是开发质子交换膜的一种有效方法。交换膜的一种有效方法。 碱性聚合物是指那些带有碱性基团的如醚、碱性聚合物是指那些带有碱性基团的如醚、醇、亚胺、酰胺、酰亚胺等。醇、亚胺、酰胺、酰亚胺等。 所用的酸应该是两性的，既可作为质子的给所用的酸应该是两性的，既可作为质子的给予体，又可作为质子的接受体。予体，又可作为质子的接受体。 早期制备的酸碱膜的室温电导率大多低于早期制备的酸碱膜的室温电导率大多低于10-3S/cm,增加酸的含量可以增加电导率，但膜的机增加酸的含量

72、可以增加电导率，但膜的机械性能变差，特别是在高温如械性能变差，特别是在高温如100以上时。以上时。改善方法改善方法使用交联的聚合物使用交联的聚合物使用玻璃化转变温度高的聚合物使用玻璃化转变温度高的聚合物添加无机添加剂添加无机添加剂 聚苯并咪唑是热稳定性非常好的耐热聚聚苯并咪唑是热稳定性非常好的耐热聚合物，其玻璃转化温度为合物，其玻璃转化温度为425-436，热稳，热稳定性好，以前主要用于高温和恶劣环境下定性好，以前主要用于高温和恶劣环境下的液相分离。当用酸或者碱掺杂后，聚苯的液相分离。当用酸或者碱掺杂后，聚苯并咪唑具有良好的质子导电性能，适于用并咪唑具有良好的质子导电性能，适于用做燃料电池的电

73、解质。自从做燃料电池的电解质。自从1995年年Savinell等的开创性工作以来，已有很多专利发表。等的开创性工作以来，已有很多专利发表。 通过有机聚合物的酸碱反应而通过有机聚合物的酸碱反应而产生离子的交联作用，可以得到性产生离子的交联作用，可以得到性能良好的质子交换膜。能良好的质子交换膜。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

74、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

75、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。对电催化剂对电催化剂7的要求的要求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

76、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、导电聚合物）、导电聚合物）和催化剂之间存在着某种相互作用，能够通过修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，提高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。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

77、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很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的大的影响，必须具有良

78、好的导电性和抗电解质的腐蚀性。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

79、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。电催化剂的表征方法电催化剂的表征方法表征方法表征方法X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD)X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS)催化剂的电化学测试催化剂的电化学测试透射电镜分析（透射电镜分析（TEM)

80、扫描电镜分析（扫描电镜分析（SEM）电催化剂的表征方法电催化剂的表征方法表征方法表征方法透射电镜分析（透射电镜分析（TEM)扫描电镜分析（扫描电镜分析（SEM）X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD)X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS)催化剂的电化学测试催化剂的电化学测试直接观测催化剂中金属直接观测催化剂中金属粒子的形貌（粒子大小、粒子的形貌（粒子大小、形状及尺寸分布）形状及尺寸分布）电催化剂的表征方法电催化剂的表征方法表征方法表征方法X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD)X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS)催化剂的电化学测试催化剂的电化学测试透射电镜分析（透射电镜分

81、析（TEM)扫描电镜分析（扫描电镜分析（SEM）电催化剂的表征方法电催化剂的表征方法表征方法表征方法透射电子电镜分析（透射电子电镜分析（TEM)X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD)X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS)催化剂的电化学测试催化剂的电化学测试确定物质组确定物质组分及颗粒具分及颗粒具体大小体大小 实验结果表明，只有实验结果表明，只有粒径粒径尺寸大尺寸大小位于小位于5-50nm之间时，测量值才会很之间时，测量值才会很好地与实际值相符合。好地与实际值相符合。 X射线衍射分析表明，质子膜燃料射线衍射分析表明，质子膜燃料电池中的非负载与负载型电池中的非负载与负载型Pt基电催化基

82、电催化剂主要以剂主要以Pt的面立方晶体结构存在。的面立方晶体结构存在。电催化剂的表征方法电催化剂的表征方法表征方法表征方法透射电子电镜分析（透射电子电镜分析（TEM)X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD)X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS)催化剂的电化学测试催化剂的电化学测试可用于表征可用于表征Pt及及Pt基催化剂的表面组基催化剂的表面组分与元素的状态分与元素的状态电催化剂的表征方法电催化剂的表征方法表征方法表征方法透射电子电镜分析（透射电子电镜分析（TEM)X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD)X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS)催化剂的电化学测试催化剂的电化学测

83、试CV线性电势扫描线性电势扫描恒电流恒电流恒电势恒电势电化学阻抗谱电化学阻抗谱（1）循环伏安法）循环伏安法优点优点操作简单操作简单信息量大信息量大燃料电池催化剂的研究中提供的信息燃料电池催化剂的研究中提供的信息 l催化剂的电化学表面积催化剂的电化学表面积(ECA)l催化剂上发生电氧化或电还原反应催化剂上发生电氧化或电还原反应的超电势的超电势l催化剂表面组成及所暴露晶面的性催化剂表面组成及所暴露晶面的性质质 Gasteiger等利用循环伏安法对一系列等利用循环伏安法对一系列不同不同Ru含量的含量的PtRu合金催化剂进行了研究，合金催化剂进行了研究，发现催化剂表面发现催化剂表面Ru含量的变化对含量

84、的变化对CO9电氧电氧化反应的起始电势没有影响，但对峰电势化反应的起始电势没有影响，但对峰电势位置影响显著。当表面原子中位置影响显著。当表面原子中Ru占有占有50%时，电氧化时，电氧化CO的峰电势最低。因此，以这的峰电势最低。因此，以这些试验结果为依据，可以通过循环伏安发些试验结果为依据，可以通过循环伏安发来研究来研究CO的电氧化脱除反应，从而粗略地的电氧化脱除反应，从而粗略地确定催化剂的表面组成。确定催化剂的表面组成。（2）恒电流和恒电势）恒电流和恒电势 恒电流和恒电势测试方法能够恒电流和恒电势测试方法能够考察催化剂的催化活性，也能够某考察催化剂的催化活性，也能够某一电催化剂在某一恒定电流或

85、恒定一电催化剂在某一恒定电流或恒定电势下进行工作时所对应电极电势电势下进行工作时所对应电极电势或产生电流的稳定性。或产生电流的稳定性。（3）电化学阻抗谱）电化学阻抗谱 电化学阻抗谱可以用来表征催电化学阻抗谱可以用来表征催化剂的电催化活性以及电化学反应化剂的电催化活性以及电化学反应中的控制步骤及中间产物。中的控制步骤及中间产物。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

86、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

87、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

88、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的吸附的吸附强度；二，研制非强度；二，研制非Pt或非贵金属的新型电催化剂。或非贵金属的新型电催化剂。 除除PtRu催化剂外，双组分（二元）合金催化催化剂外，双组分（二元）合金催化剂主要有：剂主要有：PtMo、PtW、PtSn、PtIr、PtV、PtCr、PtCo、PtNi、PtFe、PtMn、PtPd等；三等；三组分（三元）合金催化剂主要有：组分（三元）合金催化

89、剂主要有：PtRuW、 PtRuWMo 、和、和PtRuSn。 到目前为止，种种已见报道的二元基阳极电催到目前为止，种种已见报道的二元基阳极电催化剂在含有化剂在含有CO的的H2中的电催化活性，均没有达到中的电催化活性，均没有达到Pt/C电催化剂在纯电催化剂在纯H2燃料中的电催化活性。燃料中的电催化活性。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 PtRu催化剂中催化剂中Ru的最佳含量取决于催化剂的的最佳含量取决于催化剂的制备方法（结构）、电极的工作温度和电势范围。制备方法（结构）、电极的工作温度和电势范围。对于超高真

90、空制备的对于超高真空制备的PtRu合金催化剂，由于在合金催化剂，由于在25时，甲醇仅能吸附在时，甲醇仅能吸附在Pt上，因此上，因此Ru的最佳含的最佳含量是量是10%，但在，但在60 ，甲醇也能够吸附在，甲醇也能够吸附在Ru上，上，此时最佳的含量为此时最佳的含量为30%。 研究的研究的PtRu催化剂范围：催化剂范围： PtRu合金、物理混合金、物理混合的合的Pt+Ru纳米粒子、纳米粒子、Pt+RuOx、电沉积、电沉积PtRu粒粒子、子、Ru气相沉积在气相沉积在Pt上、上、Ru吸附在单晶吸附在单晶Pt(hkl)上上等。等。阴阴极极催催化化剂剂Pt催化剂催化剂Pt基合金催化剂基合金催化剂过渡金属大环

91、络合物催化剂过渡金属大环络合物催化剂其他氧还原催化剂其他氧还原催化剂PtFe/C催化剂催化剂PtNi/C和和PtCo/CPtCr/C催化剂催化剂PtV/C催化剂催化剂3.2.4膜电极的制备技术膜电极的制备技术 膜膜电极（电极（membrane electrode assembly, MEA)是燃料电池发电的关是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元板组成了燃料电池的基本单元-燃料电燃料电池单电池。池单电池。 （1）能够最大限度减小气体的传输阻力，使得反应气体顺利能够最大限度减小气体的传输阻力，使得反应气体顺利由扩散层到达催化层

92、发生电化学反应。因此，气体扩散电由扩散层到达催化层发生电化学反应。因此，气体扩散电极极必须具备适当的疏水性，既保证反应气体能够顺利经过最短必须具备适当的疏水性，既保证反应气体能够顺利经过最短的通道到达催化剂，也确保生成的产物水能够润湿膜的通道到达催化剂，也确保生成的产物水能够润湿膜 （2）形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力。）形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力。 （3）形成良好的电子通道，）形成良好的电子通道，MEA中碳载铂催化剂是电子的良中碳载铂催化剂是电子的良导体，但是导体，但是Nafion和和PTFE的存在将在一定程度上影响电导率，的存在将在一定程度上影响电导率，在满足离子和气体

93、传导的在满足离子和气体传导的基础基础上还要考虑电子传输能力，综上还要考虑电子传输能力，综合考虑以提高合考虑以提高MEA的整体性能。的整体性能。 （4）气体扩散电极应保持良好的机械强度及导热性）气体扩散电极应保持良好的机械强度及导热性 （5）膜具有高的质子传导性，能够很好的隔绝氢气、氧气防）膜具有高的质子传导性，能够很好的隔绝氢气、氧气防止互窜，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。止互窜，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。高性能的膜电极应具有的特性高性能的膜电极应具有的特性膜电极膜电极质子交换膜质子交换膜电催化剂电催化剂气体扩散层气体扩散层气体扩散层材料气体扩散层材料 燃料电池扩散层材

94、料通常是石墨化碳纸燃料电池扩散层材料通常是石墨化碳纸或炭布，从气体扩散角度考虑扩散层越薄或炭布，从气体扩散角度考虑扩散层越薄越有利于传质和减小电阻，但考虑到对催越有利于传质和减小电阻，但考虑到对催化剂层的支撑和强度的要求以及对水热平化剂层的支撑和强度的要求以及对水热平衡的管理的要求，针对不同的应用环境衡的管理的要求，针对不同的应用环境(氧氧化剂种类氧气还是空气、低压还是高压等化剂种类氧气还是空气、低压还是高压等)需要设计不同种类的扩散层。需要设计不同种类的扩散层。PEMFC中扩散层材料的要求中扩散层材料的要求l首先扩散层起到支撑催化层的作用，为此要求扩散层适合首先扩散层起到支撑催化层的作用，为

95、此要求扩散层适合支撑催化层，扩散层与催化层的接触电阻要小。支撑催化层，扩散层与催化层的接触电阻要小。l气体和水通道的作用，因此扩散层应具备适宜的空隙率和气体和水通道的作用，因此扩散层应具备适宜的空隙率和孔分布，有利于传质。孔分布，有利于传质。l电子通道的作用，扩散层必须是电的良导体。并且为了保电子通道的作用，扩散层必须是电的良导体。并且为了保证反应的均匀性，要求扩散层在横向及纵向均要保持较好证反应的均匀性，要求扩散层在横向及纵向均要保持较好的电阻平行性。的电阻平行性。l热的传输和分配作用，要求扩散层有较好的热传输和分配热的传输和分配作用，要求扩散层有较好的热传输和分配能力，才能保证发电过程均匀

96、进行，有利于膜电极寿命的能力，才能保证发电过程均匀进行，有利于膜电极寿命的延长。延长。l较强的耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的能力，为了保证较长较强的耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的能力，为了保证较长的寿命和稳定的性能输出。的寿命和稳定的性能输出。扩散层常用的材料扩散层常用的材料碳纤碳纤维材料维材料无纺布无纺布炭布炭布多孔性和良好的导电特性，在其他场合已经被商业化多孔性和良好的导电特性，在其他场合已经被商业化扩散层常用的材料扩散层常用的材料碳纤碳纤维材料维材料无纺布无纺布炭布炭布石墨化的碳纤维纸石墨化的碳纤维纸石墨化的碳纤维纸早已应用到磷酸盐燃料电池石墨化的碳纤维纸早已应用到磷酸盐燃料电池中，炭布的应用场

97、合是润滑及纺织行业。中，炭布的应用场合是润滑及纺织行业。 目前超目前超过过90%的碳纤维是以高的碳纤维是以高纯度的聚丙烯腈（纯度的聚丙烯腈（PAN)为原料经为原料经过高温炭化过高温炭化25等特殊工艺加等特殊工艺加工而成工而成的。的。利用利用PAN碳纤维制备碳纤维制备PEMFC扩散层的工艺路线扩散层的工艺路线聚合和纤维的形聚合和纤维的形成（连续纤维）成（连续纤维）稳定化（稳定化（230oC,空气）空气）炭化炭化/纤维短切（纤维短切（1200-1235oC，N2保护，含碳量保护，含碳量95%）纺纱纺纱织布织布炭化炭化（1600-1700oC，真空）真空）炭布炭布造纸（造纸（5%-15%粘结剂）粘结

98、剂）浸渍树脂浸渍树脂150-180oC，415-550KPa,空气中放置一段时间空气中放置一段时间炭化炭化/石墨化（石墨化（2000oC，N2或真空或真空碳纤维纸碳纤维纸填充炭粉（以填充炭粉（以PTFE为粘结剂）为粘结剂）热处理热处理湿法填充纸湿法填充纸扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗透性流体渗透性表面能和接触角表面能和接触角电导率电导率l电导率（电导率（total dissolved solids,简写为简写为T.D.S）：水的导电性即水）：水的导电性即水的电阻的倒数，通常用它来表示水的纯净度。的电

99、阻的倒数，通常用它来表示水的纯净度。 (1)电阻率的倒数为电导率。电阻率的倒数为电导率。 (2)单位单位: 在国际单位制中在国际单位制中,电导率的电导率的单位是西门子单位是西门子/米。米。 (3)说明说明 电导率的物理意义是表示物质导电电导率的物理意义是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强的性能。电导率越大则导电性能越强,反之越小。反之越小。电导率的基本单位是西门子（电导率的基本单位是西门子（S），原来被称为姆欧，取电阻单），原来被称为姆欧，取电阻单位欧姆倒数之意。因为电导池的几何形状影响电导率值，标准位欧姆倒数之意。因为电导池的几何形状影响电导率值，标准的测量中用单位电导率的测量中用

100、单位电导率S/cm来表示，以补偿各种电极尺寸造成来表示，以补偿各种电极尺寸造成的差别。的差别。l电导率测量电导率测量仪的测量原理是将两块平行的极板，放到被测溶液仪的测量原理是将两块平行的极板，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势，然后测量极板间流过的电中，在极板的两端加上一定的电势，然后测量极板间流过的电流。根据欧姆定律，电导流。根据欧姆定律，电导(G)-电阻电阻(R)的倒数，是由电压和电流的倒数，是由电压和电流决定的。决定的。 扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法 电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗透性流体渗透性表面能和接触角表面

101、能和接触角纵向电导率纵向电导率平面电导率平面电导率扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗透性流体渗透性表面能和接触角表面能和接触角压缩特性压缩特性弯曲特性弯曲特性扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗透性流体渗透性表面能和接触角表面能和接触角水银测孔计法水银测孔计法毛细流动毛细流动测孔计法测孔计法扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗

102、透性流体渗透性表面能和接触角表面能和接触角渗透性是指多孔材渗透性是指多孔材料透过流体的能力料透过流体的能力 扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗透性流体渗透性表面能和接触角表面能和接触角气体传输气体传输液体传输液体传输扩散层的性能表征方法扩散层的性能表征方法方法方法电导率电导率机械特性机械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布厚度孔隙率和孔尺寸分布流体渗透性流体渗透性表面能和接触角表面能和接触角表面能表面能 由于物体表面积改变而引起的内能改变，单由于物体表面积改变而引起的内能改变，单位面积的表面能的数值和表面张力相同

103、，但两者位面积的表面能的数值和表面张力相同，但两者物理意义不同。物理意义不同。 比如东西放时间长了会发现有灰尘附着，就比如东西放时间长了会发现有灰尘附着，就是因为灰尘附着降低了物体的表面积，从而降低是因为灰尘附着降低了物体的表面积，从而降低了物体的表面能，物质能量都有自动趋向降低，了物体的表面能，物质能量都有自动趋向降低，保持稳定的特点。保持稳定的特点。 又如，砸碎石头，就增大了石头的表面能，又如，砸碎石头，就增大了石头的表面能，但是同时你也做了功。但是同时你也做了功。 接触角接触角 将液体滴在固体表面上，液体并不完全展. 开而与固体表面成一角度，即所谓的接触角，以 表示 。 接触角接触角可以

104、用接触角测试仪来测定。 由此可以判断固体是疏水性的（固体是疏水性的（ 大于大于90度度 ），还是亲水性的（），还是亲水性的（ 小于小于90度度 ）。 3. 3. 碱性燃料电池碱性燃料电池材料材料 碱碱26性燃料电池是最早获得实际应用的燃料电池。性燃料电池是最早获得实际应用的燃料电池。 1839年格罗夫发明燃料电池后，经过近年格罗夫发明燃料电池后，经过近1个世纪都没有一个世纪都没有一个可做实际应用的燃料电池出现。个可做实际应用的燃料电池出现。 剑桥大学的工程师培根从剑桥大学的工程师培根从20世纪世纪30年代开始碱性燃料电池年代开始碱性燃料电池的试验工作。对蒙德和朗格尔发明的碱性电池装制作了很多的

105、试验工作。对蒙德和朗格尔发明的碱性电池装制作了很多改进，得到了第一个碱性燃料电池，不过经过改进，得到了第一个碱性燃料电池，不过经过27年后，培根年后，培根才制造出能工作的燃料电池。才制造出能工作的燃料电池。1959年他推出一台能够供焊机年他推出一台能够供焊机使用的使用的5Kw机器。同年，爱丽丝机器。同年，爱丽丝-查尔莫斯公司制造出第一台查尔莫斯公司制造出第一台以燃料电池为动力的车辆，这是有一台由以燃料电池为动力的车辆，这是有一台由15Kw的碱性燃料电的碱性燃料电池驱动的拖拉机。这个公司还开发了池驱动的拖拉机。这个公司还开发了AFC高尔夫球车、潜水高尔夫球车、潜水艇、叉车等。艇、叉车等。 20世

106、纪世纪60年代初，联合碳化物公司为美国军方开发了年代初，联合碳化物公司为美国军方开发了AFC移动雷达。移动雷达。 1967年，通用汽车公司引进联合碳化物公司的碱性燃年，通用汽车公司引进联合碳化物公司的碱性燃料电池技术，开发了第一辆燃料面包车。料电池技术，开发了第一辆燃料面包车。 1970年，科尔迪什开发了第一辆燃料电池小汽车。科年，科尔迪什开发了第一辆燃料电池小汽车。科尔迪什创办的尔迪什创办的ZEVCO公司至今仍然在继续碱性燃料电池公司至今仍然在继续碱性燃料电池的商业化活动。的商业化活动。 20世纪世纪60-70年代，在阿波罗宇宙飞船以及在其后的航年代，在阿波罗宇宙飞船以及在其后的航天飞机上，

107、碱性燃料电池被用来作为电源，同时为宇航员天飞机上，碱性燃料电池被用来作为电源，同时为宇航员提供饮用水。提供饮用水。工作原理工作原理阳极反应：阳极反应：H2+2OH- -2e- 2H2O+O2阴极反应：阴极反应：1/2O2+H2O+2e- 2OH-总反应：总反应： 1/2O2+H2 H2O优缺点优缺点优点优点效率高效率高材料要求低材料要求低氧的还原反应在碱性介质中氧的还原反应在碱性介质中比在酸性介质中更容易进行比在酸性介质中更容易进行碱性介质中可以采用价碱性介质中可以采用价格低廉的镍作双极板材料格低廉的镍作双极板材料优缺点优缺点优点优点效率高效率高材料要求低材料要求低缺点缺点因为电解液为碱，易于

108、因为电解液为碱，易于CO232生成生成K2CO3、Na2CO3等碳酸盐，严重影响电池性能，所以等碳酸盐，严重影响电池性能，所以必须除去必须除去CO2.这使得采用空气作为阴极反应这使得采用空气作为阴极反应物遇到很大的困难。物遇到很大的困难。电解液需要循环以维持电池的水、热平衡问电解液需要循环以维持电池的水、热平衡问题，使系统变得复杂，影响电池的稳定性操题，使系统变得复杂，影响电池的稳定性操作性能。作性能。电池结构电池结构碱性燃碱性燃料电池料电池电极电极憎水电极憎水电极亲水电极亲水电极憎水扩散电极是利用黏结剂粘合的炭粉制备而成。憎水扩散电极是利用黏结剂粘合的炭粉制备而成。亲水电极是由烧结的金属粉末

109、制备而成。这样的电极结构亲水电极是由烧结的金属粉末制备而成。这样的电极结构由孔径不同的粗孔层和细孔层构成。由孔径不同的粗孔层和细孔层构成。电池结构电池结构碱性燃碱性燃料电池料电池电极电极憎水电极憎水电极亲水电极亲水电极电解液电解液30-45%的的KOH溶液溶液隔膜隔膜石棉膜石棉膜排水方法排水方法l反应气体循环法反应气体循环法 通过循环一个或两个电极的反应通过循环一个或两个电极的反应气体，在外部冷凝成液态水排除。同时部分排热气体，在外部冷凝成液态水排除。同时部分排热l静态排水法静态排水法 在氢气一侧有一多孔排水膜，生成的在氢气一侧有一多孔排水膜，生成的水通过浓差扩散通过氢气室，进入排水膜，在排水

110、通过浓差扩散通过氢气室，进入排水膜，在排水膜外侧冷凝并通过排水腔排出电池。水膜外侧冷凝并通过排水腔排出电池。l冷凝排水法冷凝排水法 在氢气一侧有冷凝板（无孔），外侧在氢气一侧有冷凝板（无孔），外侧的冷凝腔内流过冷却剂，生成的水在冷凝板上凝的冷凝腔内流过冷却剂，生成的水在冷凝板上凝结成液态排出。结成液态排出。l电解质排水法电解质排水法 通过将电解液循环在外部除水单元通过将电解液循环在外部除水单元里蒸发排水。这种情况下水蒸发所需热量由电堆里蒸发排水。这种情况下水蒸发所需热量由电堆的废热提供。的废热提供。碱性燃料电池的应用碱性燃料电池的应用l培根的第一个碱性燃料电池工作温度是培根的第一个碱性燃料电池

111、工作温度是150。l1987年海亚会议期间，欧洲空间局和法国宇航中年海亚会议期间，欧洲空间局和法国宇航中心宣布用于可复用的心宣布用于可复用的Hermes空间火箭的新一代的空间火箭的新一代的AFC.由比利时的由比利时的Elenco公司、德国西门子和公司、德国西门子和Varta公司承担。公司承担。l美国联合公司曾将美国联合公司曾将30kW氢氢/氧氧AFC用于美国海军用于美国海军潜水艇，还曾为美国军方开发了碱性燃料电池雷潜水艇，还曾为美国军方开发了碱性燃料电池雷达站、燃料电池摩托车等。达站、燃料电池摩托车等。l德国德国Varta公司在公司在60-70年代研制年代研制AFC,为叉车制造为叉车制造了了3

112、.5kW级级AFC电堆。电堆。l1976年比利时与荷兰联合组成年比利时与荷兰联合组成Ekenco公司研制公司研制AFC.该公司基本电堆为该公司基本电堆为0.45KW.1987-1988年该公年该公司制成司制成1-1.5KW便携式便携式AFC,1993年制成年制成40kW及及70KW AFC电堆，日本富士电机公司于电堆，日本富士电机公司于1961年开年开始研究始研究AFC，1970年制成年制成1KW AFC，1972年制成年制成10KW氢氢/氧氧AFC，1977年制成年制成2KW氢氢/空气空气AFC，1985年制成年制成7.5KW应急应急AFC电源以及可移动的电源以及可移动的3.6KW AFC。

113、l20世纪世纪90年代，德国西门子公司组装了年代，德国西门子公司组装了48KW级级AFC电堆，输出电压为电堆，输出电压为192V,输出电流为输出电流为250A,该该公司还用公司还用AFC电堆装备了一艘德国潜艇。电堆装备了一艘德国潜艇。l20世纪世纪90年代，德国卡尔斯罗研究中心研制以年代，德国卡尔斯罗研究中心研制以AFC作为动力的汽车。作为动力的汽车。 这是德国第一辆燃料电池这是德国第一辆燃料电池作动力的汽车，现陈列于德国奥海姆技术博物馆。作动力的汽车，现陈列于德国奥海姆技术博物馆。l1988年年7月，英国和比利时的合资公司零排放汽车月，英国和比利时的合资公司零排放汽车公司（公司（ZEVCO)

114、在伦敦展示了该公司第一辆燃料在伦敦展示了该公司第一辆燃料电池出租车原型车，该车采用电池出租车原型车，该车采用5kW的碱性燃料电的碱性燃料电池，且用钴做催化剂。池，且用钴做催化剂。l燃料电池控制公司在向用户提供燃料电池控制公司在向用户提供2.5kW的碱性燃的碱性燃料电池系统，开路料电池系统，开路33V,105A放电时电压为放电时电压为24V.这这套系统向用户的出售价是套系统向用户的出售价是1.7英镑。英镑。4. 4. 磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池材料材料4，磷酸型燃料电池，磷酸型燃料电池lPAFC以磷酸为电解质，磷酸以磷酸为电解质，磷酸10在水溶液中易离解在水溶液中易离解出氢离子，并将阳极（燃料

115、极）反应中生成的氢出氢离子，并将阳极（燃料极）反应中生成的氢离子传输至阴极（空气极）。离子传输至阴极（空气极）。l阳极：阳极：H2 2H+2e-l阴极：阴极：1/2O2+ 2H+2e- H2Ol总反应：总反应： 1/2O2+ H2 H2Ol电极必须有高活性、长寿命的电催化特性，还应电极必须有高活性、长寿命的电催化特性，还应有良好的多孔扩散功能，使电极能维持稳定的三有良好的多孔扩散功能，使电极能维持稳定的三相反应界面。相反应界面。 PAFC优缺点优缺点优点：与优点：与MCFC、SOFC等高温燃料电池相比，等高温燃料电池相比，PAFC系统工作温度适中，构成材料易选；启动时间短，稳定系统工作温度适中

116、，构成材料易选；启动时间短，稳定性良好，产生的热水可直接作为人们日常生活使用，余性良好，产生的热水可直接作为人们日常生活使用，余热利用效率高；与热利用效率高；与AFC（燃料气中不允许含（燃料气中不允许含CO2和和CO)及及PEMFC（燃料气中不允许含（燃料气中不允许含CO)等低温型燃料电池等低温型燃料电池相比，具有耐燃料气及空气中的相比，具有耐燃料气及空气中的CO2能力，能力，PAFC更能更能适应各种工作环境。适应各种工作环境。缺点：与缺点：与AFC和和PEMFC一样，一样，PAFC须采用贵金属催须采用贵金属催化剂，易为燃料气中化剂，易为燃料气中CO毒化，对燃料气的净化处理要毒化，对燃料气的净

117、化处理要求高；磷酸电解质具有一定腐蚀性。求高；磷酸电解质具有一定腐蚀性。工作条件工作条件工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成180-210磷酸的蒸汽压、材料耐腐蚀性磷酸的蒸汽压、材料耐腐蚀性能、电催化剂耐能、电催化剂耐CO能力及电池能力及电池性能要求，研究表明，提高工性能要求，研究表明，提高工作温度能使作温度能使PAFC效率更高。效率更高。工作条件工作条件工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成常压至几百千帕常压至几百千帕小功率采用常压操作

118、，大功小功率采用常压操作，大功率的大多采用加压操作，较率的大多采用加压操作，较大压力下大压力下PAFC电化学反应速电化学反应速率加快、发电效率提高。率加快、发电效率提高。工作条件工作条件工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成是指在燃料电池内部转化是指在燃料电池内部转化为电能的氢气量与燃料气为电能的氢气量与燃料气中所含的氢气量之比，中所含的氢气量之比，PAFC为为70-80%。工作条件工作条件工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成PAFC为为

119、50-60%工作条件工作条件工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成典型的典型的PAFC燃料气中约燃料气中约含含80%H2、20%CO2以及以及少量少量CH4、CO与硫化物。与硫化物。 电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元单电池单电池电极支持层电极支持层电极（燃料极与空气极）电极（燃料极与空气极）双极板

120、双极板介于两电极之间富介于两电极之间富含浓磷酸的电解质层含浓磷酸的电解质层电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元电池堆电池堆电极支持层电极支持层电极（燃料极与空气极）电极（燃料极与空气极）双极板双极板介于两电极之间富介于两电极之间富含浓磷酸的电解质层含浓磷酸的电解质层各类物料管及各类物料管及其它辅助元件其它辅助元件电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元燃料转化过程包括脱硫、催化重燃料转化过程包括脱硫、催化重整转化与一

121、氧化碳变换三个反应整转化与一氧化碳变换三个反应过程过程燃料转化系统中每个过程操作条件燃料转化系统中每个过程操作条件项目项目脱硫过程脱硫过程蒸汽转化过程蒸汽转化过程CO变换过程变换过程作用作用脱硫脱硫天然气转化成天然气转化成H2和和CO将将CO变换为富氢变换为富氢气体和气体和CO2反应反应式式R-SH+H2 R-H+H2SH2S+ZnO ZnS +H2OCH427+H2O CO +3H2CO+H2O CO2 +H2操作操作条件条件温度：温度：573-673K压力：压力：0-0.98 MPa温度：温度：1023-1123K, 压力：压力：0-0.98 MPa， 水水-碳之比：碳之比：2-4温度：高

122、温段温度：高温段593-753K,低温段低温段453-553K；压力：；压力：0-0.98MPa催化催化剂剂Co-Mo催化剂，催化剂，或或Ni-Mo催化剂、催化剂、ZnONi催化剂催化剂Fe-Cr催化剂催化剂Cu-Zn催化剂催化剂电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却冷却水的冷却水的温度大约温度大约在在160-180电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却

123、冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却沸水冷却沸水冷却加压水冷却加压水冷却电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却利用空气强利用空气强制对流而将制对流而将燃料电池产燃料电池产生的热量移生的热量移走。走。电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却特点是排热特点是排热系统简单，系统简单，操作

124、稳定可操作稳定可靠靠电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却由美国由美国Englhard公公司研究开发。适用司研究开发。适用于小型现场型燃料于小型现场型燃料电池系统。电池系统。电池系统组成电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元逆变器逆变器过程控制系统过程控制系统将燃料电池系统将燃料电池系统生产的直流电转生产的直流电转换成交流电换成交流电电池系统组成电池系统组成组成组成燃料

125、电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元逆变器逆变器过程控制系统过程控制系统设计的基本准则是设计的基本准则是有效的管理响应相有效的管理响应相时间相异的各个过时间相异的各个过程程关键材料关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板Pt/C催化剂催化剂先将铂氯酸先将铂氯酸转化为铂络转化为铂络合物，再由合物，再由铂络合物制铂络合物制备高分散备高分散Pt/C催化剂催化剂从铂氯酸的水从铂氯酸的水溶液出发，采溶液出发，采用特定的方法用特定的方法制备纳米级高制备纳米级高分散的分散的Pt/C电电催化剂催化剂关键材料关键材料关键关键

126、材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板Pt/C催化剂催化剂合金催化剂合金催化剂在已制备好的纳在已制备好的纳米级米级Pt/C催化剂催化剂上浸渍化学计量上浸渍化学计量的过渡金属盐（的过渡金属盐（如硝酸盐或氯化如硝酸盐或氯化物），然后在惰物），然后在惰性气氛下高温处性气氛下高温处理，制备铂合金理，制备铂合金催化剂催化剂将氯铂酸与将氯铂酸与过渡金属的过渡金属的氯化物或硝氯化物或硝酸盐水溶液酸盐水溶液利用还原剂利用还原剂共沉淀到炭共沉淀到炭上，再焙烧上，再焙烧制铂合金催制铂合金催化剂化剂关键材料关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板磷酸浓度是一个非常磷

127、酸浓度是一个非常重要的参数，合适范重要的参数，合适范围为围为98-99%关键材料关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板采用采用SiC,由于是惰性的，由于是惰性的，具有很好的化学稳定性具有很好的化学稳定性作用：质子传作用：质子传导和隔离氧化导和隔离氧化剂和燃料剂和燃料关键材料关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板平板型平板型槽型槽型现状与未来现状与未来lPAFC是迄今为止最成熟的燃料电池发电装置。日是迄今为止最成熟的燃料电池发电装置。日本东芝、富士电机、三菱电机、三洋电机和日立本东芝、富士电机、三菱电机、三洋电机和日立公司，以及

128、美国公司，以及美国UTC所属的所属的UTC燃料电池公司都燃料电池公司都基本掌握了基本掌握了PAFC发电系统制造技术。发电系统制造技术。l1991年日本东芝公司与年日本东芝公司与UTC联合制造的联合制造的11MW级级PAFC是世界上运行规模最大的燃料电池发电系统，是世界上运行规模最大的燃料电池发电系统，该系统的发电效率为该系统的发电效率为41.1%，能量利用率达，能量利用率达72.7%。l目前，在美国、日本、欧洲和亚太地区均有目前，在美国、日本、欧洲和亚太地区均有200kW级的级的PC25TMPAFC发电系统在运行。该技发电系统在运行。该技术我国也已引进，安装在广州市某养猪场内。利术我国也已引进

129、，安装在广州市某养猪场内。利用沼气进行发电运行试验。用沼气进行发电运行试验。 PAFC技技术术要要进进入入商商业业化化，除除了了在在技技术术上上进进一一步步完完善善，降降低低生生产产成成本本，提提高高系系统统的的稳稳定定性性和和可可靠靠性性，更更重重要要的的挑挑战战来来自自于于其其他他类类型型燃燃料料电电 池池 技技 术术 的的 快快 速速 发发 展展。5，直接醇类燃料电池，直接醇类燃料电池 直接醇类燃料电池（直接醇类燃料电池（DAFC)与与PEMFC相近，相近，只是不用氢作燃料，而是直接用醇类和其他有机分子只是不用氢作燃料，而是直接用醇类和其他有机分子作燃料。作燃料。直接醇类燃料电池就是将有

130、机小分子醇类和直接醇类燃料电池就是将有机小分子醇类和氧气的化学能转化为电能的一种能量转化装置。氧气的化学能转化为电能的一种能量转化装置。 而以前的研究工作大都是针对用甲醇直接作燃料而以前的研究工作大都是针对用甲醇直接作燃料的直接甲醇燃料电池的。的直接甲醇燃料电池的。工作原理工作原理阳极反应：阳极反应： CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-阴极反应阴极反应: 3/2O2 + 6H+ + 6e- 3 H2O总总 反反 应：应： CH3OH + 3/2O2 CO2 + H2O基本结构基本结构基本结构基本结构阴极阴极阳极阳极质子交换膜质子交换膜流场板流场板双极板双极板直接醇类燃料电池

131、的研发概况直接醇类燃料电池的研发概况氢作燃料的不安全性氢作燃料的不安全性 20世纪末期，由于加拿大巴拉德公司研制成世纪末期，由于加拿大巴拉德公司研制成了汽车动力源用的了汽车动力源用的PEMFC, PEMFC的研制受到了的研制受到了各国政府和许多大的汽车公司的重视并得到迅速各国政府和许多大的汽车公司的重视并得到迅速的发展，出现了多种多样的的发展，出现了多种多样的PEMFC电动汽车的样电动汽车的样车。但是车。但是PEMFC还面临一些重大的问题。除了还面临一些重大的问题。除了PEMFC的价格高以外，主要的问题是目前的的价格高以外，主要的问题是目前的PEMFC的燃料一般是高压氢，因此，在储运和使的燃料

132、一般是高压氢，因此，在储运和使用方面都有很大的不安全性，如要把目前的加油用方面都有很大的不安全性，如要把目前的加油站改装成加氢站必须要巨大的费用。站改装成加氢站必须要巨大的费用。三种办法三种办法解决解决办法办法车载的甲醇、汽油或天然气高车载的甲醇、汽油或天然气高温裂解制氢装置来作为氢源温裂解制氢装置来作为氢源使用储氢材料来储存氢气使用储氢材料来储存氢气用醇类或有机化合物直接作用醇类或有机化合物直接作PEMFC的燃料的的燃料的DAFC来代替来代替PEMFC三种办法三种办法解决解决办法办法车载的甲醇、汽油或天然气高车载的甲醇、汽油或天然气高温裂解制氢装置来作为氢源温裂解制氢装置来作为氢源使用储氢材

133、料来储存氢气使用储氢材料来储存氢气用醇类或有机化合物直接作用醇类或有机化合物直接作PEMFC的燃料的的燃料的DAFC来代替来代替PEMFC含有含有CO，需要研制，需要研制抗抗CO中毒的阳极催中毒的阳极催化剂化剂,且需要高温且需要高温 三种办法三种办法解决解决办法办法车载的甲醇、汽油或天然气高车载的甲醇、汽油或天然气高温裂解制氢装置来作为氢源温裂解制氢装置来作为氢源使用储氢材料来储存氢气使用储氢材料来储存氢气用醇类或有机化合物直接作用醇类或有机化合物直接作PEMFC的燃料的的燃料的DAFC来代替来代替PEMFC对储氢材料要求比较苛对储氢材料要求比较苛刻（储氢材料的储氢容刻（储氢材料的储氢容量在质

134、量比大于量在质量比大于7%时时才有使用价值，目前最才有使用价值，目前最佳的一半小于佳的一半小于3%，高，高温下才能放出氢气温下才能放出氢气三种办法三种办法解决解决办法办法车载的甲醇、汽油或天然气高车载的甲醇、汽油或天然气高温裂解制氢装置来作为氢源温裂解制氢装置来作为氢源使用储氢材料来储存氢气使用储氢材料来储存氢气用醇类或有机化合物直接作用醇类或有机化合物直接作PEMFC的燃料的的燃料的DAFC来代替来代替PEMFC发展概况发展概况lDMFC的研究始于的研究始于20世世纪纪50年代，在年代，在1961年美国的年美国的爱爱里斯里斯伽伽尔尔穆公司就研制成穆公司就研制成输输出功率出功率为为600W的的

135、DMFC堆，用堆，用H2O2作氧化作氧化剂剂，电电解液解液为为碱性碱性。1965年，荷年，荷兰兰ESSO公司公司研制成功研制成功132W的的DMFC， 空气空气为为氧化氧化剂剂，硫酸，硫酸为电为电解液。解液。此此时时，这这方面的研究没有受到重方面的研究没有受到重视视，进进展比展比较缓较缓慢。慢。l直到直到20世世纪纪90年代，由于年代，由于PEMFC商商业业化化进进程中遇到程中遇到氢氢源源的的问题问题，而且，而且DAFC具有具有结结构构简单简单、体、体积积小、比能量高、小、比能量高、维维修方便、燃料的修方便、燃料的储储运和使用安全方便等运和使用安全方便等优优点，人点，人们们才开才开始关注它，始

136、关注它，DAFC可作可作为为便携式便携式电电源和源和电动车电电动车电源，源，预计预计将在汽将在汽车车、小型家用、小型家用电电器、器、传传感器、感器、摄摄像机、笔像机、笔记记本本电脑电脑、手机以及手机以及军军事移事移动动性性仪仪器等器等领领域有着巨大域有着巨大应应用潜力用潜力。 l1993年美国吉讷公司研制成的年美国吉讷公司研制成的DMFC单体电池在单体电池在60下，下，用氧作氧化剂，当工作电压为用氧作氧化剂，当工作电压为0.535V时，输出的电流密度时，输出的电流密度可达可达100mA/cm2。l1996年，美国年，美国Los Alamos国家实验室研制成用甲醇蒸汽国家实验室研制成用甲醇蒸汽-

137、空空气的气的DMFC单体电池在单体电池在130 下工作时，下工作时，0.5V下输出的电下输出的电流密度可达流密度可达370mA/cm2。同年，德国西门子公司研制用甲。同年，德国西门子公司研制用甲醇蒸汽醇蒸汽-氧气的氧气的DMFC单体电池，在单体电池，在140 下工作时，下工作时， 0.5V下输出的电流密度可达下输出的电流密度可达500mA/cm2l在在DAFC研制初期，考虑到甲醇来源丰富、价格低廉，在研制初期，考虑到甲醇来源丰富、价格低廉，在常温常压下是液体，易于运输储存，能量密度高、分子结常温常压下是液体，易于运输储存，能量密度高、分子结构简单，无较难裂解构简单，无较难裂解C-C键键，电化学

138、活性高，能保持较高，电化学活性高，能保持较高的能量转换效率，所以研究集中到的能量转换效率，所以研究集中到DMFC上，后来，由于上，后来，由于发现甲醇直接作燃料还有一定的问题，研究才慢慢扩展到发现甲醇直接作燃料还有一定的问题，研究才慢慢扩展到DAFC。l目前，世界上有目前，世界上有许许多多单单位都在位都在进进行行DAFC的研的研发发工作，研究目工作，研究目标标主要主要针对针对小型小型仪仪器器设备设备的的电电源。源。 德国西德国西门门子公司已研制成百瓦子公司已研制成百瓦级级的的DMFC,在在110的工作温度下，功率密度达的工作温度下，功率密度达100mW/cm2.德德国太阳能和国太阳能和氢氢能研究

139、中心研制了室温下工作的能研究中心研制了室温下工作的DMFC,电电池功率密度池功率密度为为9mW/cm2，工作寿命已达，工作寿命已达10000h。德国斯德国斯马马特燃料特燃料电电池公司在池公司在2004年宣布，年宣布，该该公司已公司已经经向数百家特定客向数百家特定客户户出售了平均出售了平均输输出功出功率率为为25W,质质量量为为1.1kg的的DMFC,可作可作为为内置笔内置笔记记本本电脑电脑中的中的电电源源连续连续工作工作8-10h,燃料燃料为为没有没有经过经过水水稀稀释释的的纯纯甲醇。甲醇。 很多研究很多研究该该燃料燃料电电池的主要用于个人池的主要用于个人电脑电脑、小型、小型家用家用电电器和器

140、和户户外移外移动电动电源等。源等。l目前，作目前，作为车为车用用动动力源的力源的DAFC的研制的研制还较还较少，少，因因为为初步的初步的计计算表明，工作温度在算表明，工作温度在100以下，以以下，以甲醇和空气甲醇和空气为为燃料和氧化燃料和氧化剂剂，只有当功率密度达，只有当功率密度达到到200-300mW/cm2时时,DAFC才有可能成才有可能成为车载动为车载动力力电电源。第一源。第一辆辆DMFC电动电动汽汽车样车车样车已由克莱斯已由克莱斯勒公司勒公司设设在德国在德国乌乌尔尔姆的研姆的研发发中心研制成功。中心研制成功。该该车车最高最高车车速速35km/h，但，但续驶续驶里程有限，只有里程有限，只

141、有15km。2003年，雅年，雅马马哈哈发电发电机公司宣布成功研制了机公司宣布成功研制了DMFC摩托摩托车车，DMFC的功率的功率为为500W,质质量量为为20Kg，间间歇运歇运转时间转时间已达已达1000h。我国的研制情况我国的研制情况l目前，我国有很多目前，我国有很多单单位在开展位在开展DAFC研究工作，研究工作，中科院中科院长长春春应应用化学研究所在用化学研究所在20世世纪纪90年代初在年代初在国内率先开展了国内率先开展了DMFC的研究工作，的研究工作，对对催化催化剂剂、隔膜、隔膜、电电极极/膜集合体及膜集合体及单单体体电电池的池的结结构构优优化等方化等方面面进进行了系行了系统统研究，并

142、已制研究，并已制备备成百瓦成百瓦级级的的DMFC样样机。其他机。其他进进行行这这方面工作的研究的方面工作的研究的还还有中科院有中科院大大连连化学物理研究所、清化学物理研究所、清华华大学、中山大学、武大学、中山大学、武汉汉大学、厦大学、厦门门大学、上海交通大学、南京大学、上海交通大学、南京师师范大范大学、学、哈哈尔尔滨滨工工业业大学、天津大学、山大学、天津大学、山东东理工大学、理工大学、华华中科技大学、中科技大学、华华南理工大学、江南理工大学、江苏苏双登有限公双登有限公司等。司等。DAFC存在的问题存在的问题 首先，首先，过过去在去在DAFC中，常用的阳极催化中，常用的阳极催化剂剂是是Pt,它它

143、对对作作为为燃料的醇燃料的醇类类和有机小分子氧化的和有机小分子氧化的电电催化活性催化活性较较低，而且低，而且还还易被氧化的中易被氧化的中间间物毒化，因此，研究物毒化，因此，研究对对醇醇类类和有机小分子氧化具有高的和有机小分子氧化具有高的电电催化活性和抗氧化催化活性和抗氧化中中间间物毒化的阳极催化物毒化的阳极催化剂剂是必是必须须解决的解决的问题问题。 其次，目前在其次，目前在DAFC中，一般使用的中，一般使用的质质子交子交换换膜膜是是Nafion膜，而甲醇等燃料很易透膜，而甲醇等燃料很易透过过Nafion膜，膜，这这不不但浪但浪费费燃料，而且透燃料，而且透过过的燃料会在阴极上氧化，使阴的燃料会在

144、阴极上氧化，使阴极极产产生混合生混合电电位，降低位，降低电电池性能。所以研制低的燃料池性能。所以研制低的燃料透透过过率的隔膜和率的隔膜和对对透透过过的甲醇等燃料氧化的的甲醇等燃料氧化的电电催化活催化活性小的阴极催化性小的阴极催化剂剂也是一个重要的研究也是一个重要的研究课题课题。 第三，目前，在第三，目前，在DAFC中，最常用的燃中，最常用的燃料是甲醇，甲醇作燃料料是甲醇，甲醇作燃料虽虽然有很多然有很多优优点，点，但它有毒，易但它有毒，易挥发挥发，易透，易透过过Nafion膜等膜等问题问题，如要研制如要研制实际实际使用的使用的DAFC,必必须寻须寻找合适找合适的甲醇替代燃料。的甲醇替代燃料。 最

145、后，由于在最后，由于在DAFC中，常用的中，常用的Nafion膜的价格很高，膜的价格很高，贵贵金属催化金属催化剂剂的用量的用量较较多，多，因此，如何降低因此，如何降低DAFC的成本，也是的成本，也是值值得注得注意的一个意的一个问题问题。阳极催化剂阳极催化剂 对对DMFC中的阳极催化中的阳极催化剂剂的研究主要集中在以下几个方面：的研究主要集中在以下几个方面：l 研究甲醇研究甲醇电电催化氧化机理和使催化催化氧化机理和使催化剂剂中毒的原因，中毒的原因，这这能能为为制制备备具有高的具有高的电电催化活性和抗甲醇解离吸附中催化活性和抗甲醇解离吸附中间间物种中毒物种中毒的催化的催化剂剂提供理提供理论论依据。

146、依据。l研究催化研究催化剂组剂组分和分和载载体体对对催化催化剂剂性能的影响。性能的影响。l研究催化研究催化剂剂的的结结构因素构因素对对催化催化剂剂性能的影响。性能的影响。l研究催化研究催化剂剂制制备备方法方法对对催化催化剂剂性能的影响，探索可用于工性能的影响，探索可用于工业业化制化制备备高性能催化高性能催化剂剂的性能。的性能。l非非Pt系系电电催化催化剂剂研究，主要希望用价格低廉、研究，主要希望用价格低廉、资资源丰富的源丰富的非非贵贵金属催化金属催化剂剂来代替价格来代替价格较较高、高、资资源源较较少的少的Pt系系贵贵金属金属催化催化剂剂，以利于降低，以利于降低DMFC的成本。的成本。Pt极阳极

147、催化剂极阳极催化剂阳极阳极催化剂催化剂非金属催化剂非金属催化剂Pt催化剂催化剂 Pt对甲醇氧化有较高的电催化活性，加对甲醇氧化有较高的电催化活性，加上上Pt在酸中有较高的化学稳定性，因此，在在酸中有较高的化学稳定性，因此，在DMFC研究初期，一般都用研究初期，一般都用Pt做阳极催化剂。做阳极催化剂。 纯的纯的Pt黑当其粒子的平均粒径为黑当其粒子的平均粒径为1.5nm时，对甲醇氧化呈现出很高的电催化活性，时，对甲醇氧化呈现出很高的电催化活性，但仍比有载体的但仍比有载体的Pt黑低。黑低。载体载体石墨石墨碳黑碳黑活性炭活性炭分子筛分子筛纳米碳管纳米碳管碳纤维碳纤维导电高分子导电高分子Nafion膜膜

148、lPt/C催化催化剂对剂对甲醇氧化的甲醇氧化的电电催化活性催化活性和和稳稳定性都比定性都比纯纯Pt黑好。黑好。l首先，首先，这这是由于活性炭的加入，增加是由于活性炭的加入，增加了了Pt的比表面的比表面积积。l其次，其次，Pt与活性炭之与活性炭之间间的相互作用也的相互作用也影响了影响了Pt的催化活性。的催化活性。Pt极阳极催化剂极阳极催化剂阳极阳极催化剂催化剂非金属催化剂非金属催化剂Pt催化剂催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂 在研究在研究过过的众多的的众多的Pt基复合催化基复合催化剂剂中，中，Pt-Ru/C催化催化剂剂是目前研究最是目前研究最为为成熟、成熟、应应用用最最为为广泛的广泛的DMFC

149、的阳极催化的阳极催化剂剂。 Pt-Ru/C催化催化剂对剂对甲醇氧化有很好的甲醇氧化有很好的电电催化活性和催化活性和抗毒化的作用。抗毒化的作用。Ru的加入有两个方面的作的加入有两个方面的作用。一方面，用。一方面，Ru的加入会影响着的加入会影响着Pt的的d电电子子状状态态，从而减弱了，从而减弱了Pt和和CO之之间间的相互作用。的相互作用。另一方面，另一方面，Ru易与水形成活性含氧物种，易与水形成活性含氧物种，它会促它会促进进甲醇解离吸附的中甲醇解离吸附的中间间物种在物种在Pt表面表面的氧化，从而提高了的氧化，从而提高了Pt对对甲醇氧化的甲醇氧化的电电催化催化活性和抗中毒性能。活性和抗中毒性能。 总

150、结总结有关有关DMFC中阳极中阳极Pt基复合催化基复合催化剂剂的的研究研究结结果，可看出影响果，可看出影响Pt基复合催化基复合催化剂对剂对甲甲醇氧化的醇氧化的电电催化性能主要因素有以下几种：催化性能主要因素有以下几种：l所引入的金属、金属氧化物或稀土离子的性所引入的金属、金属氧化物或稀土离子的性质质l所引入的金属与所引入的金属与Pt的合金化程度和分布的均的合金化程度和分布的均匀性匀性lPt与所引入的金属或金属氧化物的量的比例与所引入的金属或金属氧化物的量的比例Pt极阳极催化剂极阳极催化剂阳极阳极催化剂催化剂非金属催化剂非金属催化剂Pt催化剂催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂 考考虑虑到到Pt催

151、化催化剂剂的种种不足，人的种种不足，人们们开始用含开始用含氧丰富的高氧丰富的高导电导电性和高催化活性的性和高催化活性的ABO3型金属氧型金属氧化物化物为为甲醇氧化的阳极催化甲醇氧化的阳极催化剂剂。A位上的金属有位上的金属有Sr、Ce、Pb、La, B位上的金属有位上的金属有Co、Pt、Pd28、Ru等。等。 也有采用复合型的，就是也有采用复合型的，就是A和和B位均采用位均采用两种不同的金属。两种不同的金属。这类这类催化催化剂剂的的优优点是点是对对甲醇氧甲醇氧化有化有较较高的高的电电催化活性，而且不催化活性，而且不发发生中毒的生中毒的现现象。象。影响催化剂电催化性能的结构因素影响催化剂电催化性能

152、的结构因素 影响影响因素因素金属离子的平均粒径金属离子的平均粒径金属离子的晶体性质金属离子的晶体性质金属离子的表面粗糙度金属离子的表面粗糙度影响催化剂电催化性能的机构因素影响催化剂电催化性能的机构因素 影响影响因素因素金属离子的平均粒径金属离子的平均粒径金属离子的晶体性质金属离子的晶体性质金属离子的表面粗糙度金属离子的表面粗糙度粒径合适时粒径合适时电催化性能最佳电催化性能最佳影响催化剂电催化性能的机构因素影响催化剂电催化性能的机构因素 影响影响因素因素金属离子的平均粒径金属离子的平均粒径金属离子的晶体性质金属离子的晶体性质金属离子的表面粗糙度金属离子的表面粗糙度不同晶面，催化性能不同晶面，催化

153、性能不同；结晶度低，催不同；结晶度低，催化性能好化性能好影响催化剂电催化性能的机构因素影响催化剂电催化性能的机构因素 影响影响因素因素金属离子的平均粒径金属离子的平均粒径金属离子的晶体性质金属离子的晶体性质金属离子的表面粗糙度金属离子的表面粗糙度能提高催能提高催化活性化活性制备方法制备方法浸渍浸渍-液相还原法液相还原法电化学沉积法电化学沉积法气相还原法气相还原法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法气相沉积法气相沉积法高温合金化法高温合金化法固相反应方法固相反应方法羰基簇合物法羰基簇合物法预沉淀法预沉淀法离子液体法离子液体法阴极催化剂阴极催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂过渡金属大环化合物催化剂过渡金属大环化

154、合物催化剂Chevrel相催化剂相催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂其他类型催化剂其他类型催化剂二元合金二元合金三元合金三元合金阴极催化剂阴极催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂过渡金属大环化合物催化剂过渡金属大环化合物催化剂Chevrel相催化剂相催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂其他类型催化剂其他类型催化剂过度金属的过度金属的络合物络合物阴极催化剂阴极催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂过渡金属大环化合物催化剂过渡金属大环化合物催化剂Chevrel相催化剂相催化剂过渡金属硫化

155、物催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂其他类型催化剂其他类型催化剂也称为过渡金也称为过渡金属原子簇化合属原子簇化合物，物，20世纪世纪80年代中期发现年代中期发现的，对氧还原的，对氧还原具有良好的电具有良好的电催化活性和耐催化活性和耐甲醇性甲醇性阴极催化剂阴极催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂过渡金属大环化合物催化剂过渡金属大环化合物催化剂Chevrel相催化剂相催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂其他类型催化剂其他类型催化剂研究过的有研究过的有MoxRuySz, RhxRuySz,RexRuySz

156、等。等。其中碳载其中碳载MRu5S5(M为为Rh或或Re)对氧还原的电催对氧还原的电催化活性最好，并且对甲醇化活性最好，并且对甲醇没有电催化活性没有电催化活性阴极催化剂阴极催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂过渡金属大环化合物催化剂过渡金属大环化合物催化剂Chevrel相催化剂相催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂其他类型催化剂其他类型催化剂该类催化剂的研究该类催化剂的研究始于始于20世纪末，世纪末，Wx(CO)n和和MoxRuySez-(CO)n等等阴极催化剂阴极催化剂Pt基复合催化剂基复合催化剂过渡金属大环化合物催化剂过渡金属大环化合

157、物催化剂Chevrel相催化剂相催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属硫化物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂过渡金属羰基化合物催化剂其他类型催化剂其他类型催化剂MnO230、CrO2、烧绿石、钙钛矿、烧绿石、钙钛矿、尖晶石、尖晶石、Cu1.4Mn1.6O4、LaMnO3、La1-xSrxFeO3等。等。质子交换膜质子交换膜作用：既是电解质，又起到分割阳极与阴极的作用。作用：既是电解质，又起到分割阳极与阴极的作用。要求要求好的热稳定性好的热稳定性低的甲醇渗透率低的甲醇渗透率好的化学稳定性好的化学稳定性高的质子电导率高的质子电导率好的机械强度好的机械强度低的价格低的价格种类种类研究研究种类种类改性改性N

158、afion膜膜聚四氟乙烯为基底的复合膜聚四氟乙烯为基底的复合膜无机化合物无机化合物-聚合物复合膜聚合物复合膜接枝膜接枝膜非氟均聚膜非氟均聚膜共混膜共混膜Pd-Nafion复合膜复合膜无机化合物无机化合物-Nafion复合膜复合膜聚合物聚合物-Nafion复合膜复合膜聚合物聚合物-Nafion共混膜共混膜种类种类研究研究种类种类改性改性Nafion膜膜聚四氟乙烯为基底的复合膜聚四氟乙烯为基底的复合膜无机化合物无机化合物-聚合物复合膜聚合物复合膜接枝膜接枝膜非氟均聚膜非氟均聚膜共混膜共混膜由多孔基底膜和由多孔基底膜和填充在基底膜的填充在基底膜的孔中的质子电解孔中的质子电解质膜组成。基底质膜组成。基

159、底膜有很好的化学膜有很好的化学稳定性和机械强稳定性和机械强度，填充在基底度，填充在基底膜孔中的质子交膜孔中的质子交换膜起质子导电换膜起质子导电的作用。质子交的作用。质子交换膜在基底膜的换膜在基底膜的微孔中，因而在微孔中，因而在一定程度上限制一定程度上限制了溶胀，有利于了溶胀，有利于抑制甲醇的渗透。抑制甲醇的渗透。种类种类研究研究种类种类改性改性Nafion膜膜聚四氟乙烯为基底的复合膜聚四氟乙烯为基底的复合膜无机化合物无机化合物-聚合物复合膜聚合物复合膜接枝膜接枝膜非氟均聚膜非氟均聚膜共混膜共混膜聚苯并咪唑复合膜聚苯并咪唑复合膜聚乙烯醇复合膜聚乙烯醇复合膜 聚苯并咪聚苯并咪唑唑（PBI)是碱性聚

160、合物，具有极好的是碱性聚合物，具有极好的化学和化学和热稳热稳定性及一定的机械柔定性及一定的机械柔韧韧性。本身没有性。本身没有质质子子导电导电性，性，经经硝酸、磷酸、硫酸等酸硝酸、磷酸、硫酸等酸掺杂掺杂，在，在苯苯环环引入酸根基引入酸根基团团，或者用化学方法在，或者用化学方法在N原子上原子上接入甲基苯磺酸基接入甲基苯磺酸基团团后，具有后，具有较较好的好的质质子子导电导电能能力。近年来开力。近年来开发发的的H3PO4-PBI复合膜，与复合膜，与Nafion 膜相比，膜相比，这这种复合膜能耐种复合膜能耐200左右的高温。左右的高温。 聚乙聚乙烯烯醇的价格低廉、来源丰富，因此早在醇的价格低廉、来源丰富

161、，因此早在1985年，就研究磷酸年，就研究磷酸-聚乙聚乙烯烯醇复合膜醇复合膜质质子交子交换换膜，膜，磷酸含量磷酸含量对对付和膜的甲醇渗透率影响不大。付和膜的甲醇渗透率影响不大。种类种类研究研究种类种类改性改性Nafion膜膜聚四氟乙烯为基底的复合膜聚四氟乙烯为基底的复合膜无机化合物无机化合物-聚合物复合膜聚合物复合膜接枝膜接枝膜非氟均聚膜非氟均聚膜共混膜共混膜接枝技术进行修饰，一般是在选定接枝技术进行修饰，一般是在选定的基体膜上，通过电子或等离子辐的基体膜上，通过电子或等离子辐射，产生活性点，与带有质子交换射，产生活性点，与带有质子交换功能的基团发生共聚，将其接枝到功能的基团发生共聚，将其接枝

162、到基体膜上基体膜上种类种类研究研究种类种类改性改性Nafion膜膜聚四氟乙烯为基底的复合膜聚四氟乙烯为基底的复合膜无机化合物无机化合物-聚合物复合膜聚合物复合膜接枝膜接枝膜非氟均聚膜非氟均聚膜共混膜共混膜磺化聚醚醚酮膜及其衍生物膜磺化聚醚醚酮膜及其衍生物膜磺化聚砜衍生物膜磺化聚砜衍生物膜磷酸化或磺化聚磷睛衍生物膜磷酸化或磺化聚磷睛衍生物膜磺化酚酞型聚醚砜磺化酚酞型聚醚砜种类种类研究研究种类种类改性改性Nafion膜膜聚四氟乙烯为基底的复合膜聚四氟乙烯为基底的复合膜无机化合物无机化合物-聚合物复合膜聚合物复合膜接枝膜接枝膜非氟均聚膜非氟均聚膜共混膜共混膜把具有良好质子电导性的聚合物，把具有良好质

163、子电导性的聚合物，如聚苯乙烯磺酸与一些非质子电如聚苯乙烯磺酸与一些非质子电导性和阻醇性的聚合物混合，可导性和阻醇性的聚合物混合，可得到既有较好质子电导性，又有得到既有较好质子电导性，又有阻醇性的共混膜。阻醇性的共混膜。甲醇甲醇只含一个碳原子，不含只含一个碳原子，不含C-C键，易被氧键，易被氧化，加上能量密度高，价格便宜和来源化，加上能量密度高，价格便宜和来源丰富，被认为是最好的燃料丰富，被认为是最好的燃料甲醇有毒甲醇有毒11，易燃，且氧化的中间物种，易燃，且氧化的中间物种会使会使Pt催化剂中毒，易透过催化剂中毒，易透过Nafion膜膜CHHHOH甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇

164、12其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他基本上没有毒性，来源丰富，价格可基本上没有毒性，来源丰富，价格可与甲醇竞争，对质子交换膜的透过率与甲醇竞争，对质子交换膜的透过率远低于甲醇远低于甲醇甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他乙二醇乙二醇丙醇丙醇2-丙醇丙醇1-甲氧基甲氧基-丙醇丙醇丙二醇丙二醇丁醇丁醇2-丁醇丁醇异丁醇异丁醇叔丁醇叔丁醇甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他乙二醇乙二醇丙醇丙醇2-丙醇丙醇1-甲氧基甲氧基-丙醇丙醇丙二醇丙二醇丁醇丁醇2-丁醇丁醇异丁醇异丁醇叔丁醇叔丁醇甲醇

165、替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他乙二醇乙二醇丙醇丙醇2-丙醇丙醇1-甲氧基甲氧基-丙醇丙醇丙二醇丙二醇丁醇丁醇2-丁醇丁醇异丁醇异丁醇叔丁醇叔丁醇甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他乙二醇乙二醇丙醇丙醇2-丙醇丙醇1-甲氧基甲氧基-丙醇丙醇丙二醇丙二醇丁醇丁醇2-丁醇丁醇异丁醇异丁醇叔丁醇叔丁醇甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他乙二醇乙二醇丙醇丙醇2-丙醇丙醇1-甲氧基甲氧基-丙醇丙醇丙二醇丙二醇丁醇丁醇2-丁醇丁醇异丁醇异丁醇叔丁醇叔丁

166、醇甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他它们对它们对Nafion膜的渗透率都膜的渗透率都小于甲醇小于甲醇甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他优点优点甲酸无毒，被美国食品与药物甲酸无毒，被美国食品与药物管理局许可作为食品添加剂管理局许可作为食品添加剂不易燃，存储和运输安全方便不易燃，存储和运输安全方便电化学氧化性能要比甲醇好电化学氧化性能要比甲醇好用甲酸作燃料时，浓度可很用甲酸作燃料时，浓度可很高，高时还有很好的性能高，高时还有很好的性能甲酸是一种电解质，有利于甲酸是一种电解质，有利于增加阳极室

167、内溶液的质子电增加阳极室内溶液的质子电导率导率对对Nafion膜的渗透率远小于膜的渗透率远小于甲醇甲醇 甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他缺点缺点作燃料时，能量密度较低作燃料时，能量密度较低与甲醇相似，甲酸氧化的与甲醇相似，甲酸氧化的中间物种也会毒化催化剂中间物种也会毒化催化剂甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他三甲氧基甲烷三甲氧基甲烷二甲氧基甲烷二甲氧基甲烷三氧杂环已烷三氧杂环已烷甲醇替代燃料甲醇替代燃料替代替代燃料燃料乙醇乙醇其他小分子醇其他小分子醇甲酸甲酸其他其他来源于天然气，来源丰

168、富来源于天然气，来源丰富分子中不包含分子中不包含C-C键键能量密度比甲醇高能量密度比甲醇高毒性比甲醇低毒性比甲醇低对对Nafion膜的渗透率小于甲醇膜的渗透率小于甲醇 商业前景商业前景 目前目前DAFC的性能的性能还还与与PEMFC有有较较大大的差距，但是的差距，但是PEMFC的价格比的价格比较较昂昂贵贵，这这就就为为DAFC提供了可能，但是提供了可能，但是DAFC在近期在近期内要用来代替内要用来代替PEMFC作作为电动车为电动车的的动动力源力源似乎不太可能。但由于似乎不太可能。但由于DAFC作作为为小功率、小功率、便携式的便携式的电电源有源有较较多的多的优优点，加上价格点，加上价格对对小功率

169、燃料小功率燃料电电池商池商业业化的影响程度相化的影响程度相对对来来说说比比较较小。据估小。据估计计，只要，只要DAFC的价格达到的价格达到300$/kW左右，就可在小功率的左右，就可在小功率的应应用用场场合与合与其他化学其他化学电电源相源相竞竞争。争。6，熔融碳酸盐燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池l采用碱金属（采用碱金属（Li、Na、K)的碳酸的碳酸盐盐作作为电为电解解质质隔膜，隔膜，Ni-Cr/Ni-Al合金合金为为阳极，阳极，NiO为为阴极，阴极，电电池工作温池工作温度度为为650-700。在此温度下。在此温度下电电解解质质成熔融状成熔融状态态，导导电电离子离子为为碳酸根离子（碳酸根离子（CO

170、32-).l工作原理工作原理 空气极：空气极： CO2 + 1/2O2 +2e- CO32- 燃料极：燃料极： H2 + CO32- H2O + CO2 + 2e- 总总反反应应： H2 + 1/2O2 + CO2（阴极）（阴极） H2O + CO2（阳极）（阳极） 技术特点技术特点 l由于由于MCFC的工作温度的工作温度为为650-700，属于，属于高温燃料高温燃料电电池，其本体池，其本体发电发电效率效率较较高（可高（可达达60%LHV), 并且不需要并且不需要贵贵金属做催化金属做催化剂剂。l既可以使用既可以使用纯氢纯氢气作燃料，又可以使用由气作燃料，又可以使用由天然气、甲天然气、甲烷烷、石

171、油、煤气等、石油、煤气等转转化化产产生的生的富富氢氢合成气作燃料，可使用的燃料范合成气作燃料，可使用的燃料范围围大大大增加。大增加。l排出的排出的废热废热温度高，可以直接温度高，可以直接驱动驱动燃气燃气轮轮机机/蒸汽蒸汽轮轮机机进进行复合行复合发电发电，进进一步提高系一步提高系统统的的发电发电效率。效率。技术现状技术现状技术现状技术现状国外国外国内国内美国美国日本日本德国德国意大利意大利韩国韩国荷兰荷兰 在在MCFC方面，美国主要由方面，美国主要由FCE(Fuel Cell Energy)公司公司进进行开行开发发，已，已经实现经实现商商业业化，从化，从2001年开始年开始进进入分布式入分布式发

172、电电发电电源市源市场场。 目前，目前，FCE公司出售的主打公司出售的主打产产品品为为DFC300型型250kW MCFC发电发电模模块块，售价，售价100万美元左右。万美元左右。 2004年生年生产产了多起世界范了多起世界范围围的大停的大停电电事故事故后，后，FCE公司公司MCFC产产品的品的订单订单猛增，其生猛增，其生产产能力也有能力也有50MW/年逐年逐渐渐增加到增加到400MW/年。年。技术现状技术现状技术现状技术现状国外国外国内国内美国美国日本日本德国德国意大利意大利韩国韩国荷兰荷兰 日本日本对对MCFC的研究，始于自的研究，始于自1981年的年的“月光月光计计划划”，1991年后年后

173、转为转为重点。日本的重点。日本的东东京京电电力公司、关西力公司、关西电电力公司及其他公用力公司及其他公用事事业单业单位是日本燃料位是日本燃料电电池开池开发发及商及商业业化的化的主要承担者和推主要承担者和推动动者。者。1994年度起开始着年度起开始着手开手开发发1000KW级试验级试验工厂。工厂。1995年年10月在月在中部中部电电力川越力川越发电发电所开始建厂，确立了所开始建厂，确立了1000KW级实级实用化用化发电试验发电试验工厂的基本系工厂的基本系统统，对对商商业业用燃料用燃料电电池池电电厂的运行厂的运行进进行行评评价。价。 技术现状技术现状技术现状技术现状国外国外国内国内美国美国日本日本

174、德国德国意大利意大利韩国韩国荷兰荷兰 在德国，主要由在德国，主要由Daimler Chrysler公司的子公司公司的子公司MTU进行进行MCFC的开发研究。他们主要从降低费用的开发研究。他们主要从降低费用角度出发。产品为角度出发。产品为250kW MCFC电池组（产品名为电池组（产品名为 HotModule)。2001年年9月，效率达到月，效率达到48%-49%（LHV)。 意大利的意大利的ENEA与西班牙一起制定了与西班牙一起制定了MOLCARE 1计划，进行计划，进行100KW MCFC电堆的开电堆的开发。发。技术现状技术现状技术现状技术现状国外国外国内国内美国美国日本日本德国德国意大利意

175、大利韩国韩国荷兰荷兰l韩韩国主要由国主要由韩韩国国电电力公司研究院和力公司研究院和韩韩国科学技国科学技术术研究院研究院进进行外部改行外部改质质型型MCFC的研究开的研究开发发。2003-2004年年进进行行了了100KW MCFC试验试验。l荷荷兰兰主要由主要由ECN进进行低温直接内部改行低温直接内部改质质型、型、400kW电电堆的堆的实验实验SMARTER系系统统。技术现状技术现状技术现状技术现状国外国外国内国内美国美国日本日本德国德国意大利意大利韩国韩国荷兰荷兰l国家科技部在国家科技部在“十五十五”863高技高技术计术计划能源划能源领领域的后域的后续续能源主能源主题题中中对对MCFC的研的

176、研发进发进行了行了资资助，具体的助，具体的研研发发目目标为标为：掌握熔融碳酸：掌握熔融碳酸盐盐燃料燃料电电池（池（MCFC)的的设计设计制造及制造及发电发电系系统统集成技集成技术术，建成，建成50KW级级的的示范示范发电发电装置。在装置。在MCFC的关的关键键部件与材料制部件与材料制备备方方面取得突破与面取得突破与创创新，新，为为MCFC发电发电系系统统的的实实用化提用化提供技供技术术支撑。支撑。l目前，上海交通大学与上海汽目前，上海交通大学与上海汽轮轮机有限公司合作，机有限公司合作，已完成了已完成了50KW MCFC发电发电外外围围系系统统的建的建设设，10KW的的MCFC电电池池组组已已经

177、经制作完成。制作完成。关键材料及制备关键材料及制备关键材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板要求要求有较强的机械强度，有较强的机械强度，无裂缝，无大孔无裂缝，无大孔在工作状态下，隔在工作状态下，隔膜中应充满电解质，膜中应充满电解质，并具有良好的保持并具有良好的保持电解质性能电解质性能具有良好的电子绝具有良好的电子绝缘性能缘性能关键材料及制备关键材料及制备关键材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板制备制备方法方法流延法流延法工艺流程工艺流程陶瓷粉体陶瓷粉体溶剂分散剂溶剂分散剂增塑剂增塑剂粘结剂粘结剂球磨球磨二次球磨二次球磨脱气泡脱气泡浇注、干燥浇注、干燥叠层叠层存放存

178、放关键材料及制备关键材料及制备关键材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板由于由于MCFC工作温度高，反工作温度高，反应时有电解质（应时有电解质（CO32-)的参的参与，故要求电极材料有很高与，故要求电极材料有很高的耐腐蚀性和较高的电导。的耐腐蚀性和较高的电导。同时电极催化活性也高，通同时电极催化活性也高，通常使用非贵金属常使用非贵金属Ni作为电极作为电极材料。材料。关键材料及制备关键材料及制备关键材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板阳极阳极阴极阴极为克服纯为克服纯Ni阳极在阳极在高温和电池组装压高温和电池组装压力下容易产生蠕变力下容易产生蠕变的问题，目前多采的问题

179、，目前多采用在用在Ni中掺杂其它中掺杂其它元素（如元素（如Cr、Al、Cu13等），在还原等），在还原性气氛中形成合金性气氛中形成合金作为作为MCFC的阳极的阳极材料。材料。关键材料及制备关键材料及制备关键材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板阳极阳极阴极阴极MCFC的阴极材料的阴极材料要求有高的电子传要求有高的电子传导率、高的结构强导率、高的结构强度和在酸性熔融碳度和在酸性熔融碳酸盐电解中具有低酸盐电解中具有低的溶解率。目前，的溶解率。目前，使用使用NiO在现场烧在现场烧结电池时进行锂化结电池时进行锂化后作为后作为MCFC的阴的阴极材料。极材料。关键材料及制备关键材料及制备关键

180、材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板通常采用不锈钢或镍基通常采用不锈钢或镍基合金钢制成，目前最常合金钢制成，目前最常用的双极板是用的双极板是316L和和310S不锈钢。不锈钢。关键材料及制备关键材料及制备关键材料关键材料电解质隔膜电解质隔膜电极电极双极板双极板对于实验室和小规模生产，对于实验室和小规模生产，可以采用机加工的方法在双可以采用机加工的方法在双极板的表面刻绘出流道，然极板的表面刻绘出流道，然后分别对流道和密封边框做后分别对流道和密封边框做耐腐蚀处理后备用。对于批耐腐蚀处理后备用。对于批量生产，则必须采用冲压后量生产，则必须采用冲压后焊接的技术加工双极板。焊接的技术加工

181、双极板。电池结构电池结构MCFC单电池单电池发电系统发电系统燃料极（阳极）燃料极（阳极）空气极（阴极）空气极（阴极）电解质板电解质板燃料重整系统燃料重整系统空气供给系统空气供给系统直交流逆变系统直交流逆变系统排热回收系统排热回收系统监测和控制系统监测和控制系统影响电池性能和寿命的因素影响电池性能和寿命的因素影响因素影响因素温度温度压力压力反应气体组分和利用率反应气体组分和利用率电流密度电流密度电解质的成分和电解板结构电解质的成分和电解板结构气体中杂质气体中杂质电池性能随温度增加而提高。电池性能随温度增加而提高。但当高于但当高于650时，电压增益时，电压增益随温度增加而增加的量逐渐随温度增加而增

182、加的量逐渐减小；另外，由于高温下蒸减小；另外，由于高温下蒸发和材料的腐蚀使电解质的发和材料的腐蚀使电解质的损失加大。因此比较理想的损失加大。因此比较理想的工作温度为工作温度为650 。影响电池性能和寿命的因素影响电池性能和寿命的因素影响因素影响因素温度温度压力压力反应气体组分和利用率反应气体组分和利用率电流密度电流密度电解质的成分和电解板结构电解质的成分和电解板结构气体中杂质气体中杂质提高压力，使得反应气体分压提高压力，使得反应气体分压增大，气体的溶解度增大，物增大，气体的溶解度增大，物质的传输速率增大，从而使电质的传输速率增大，从而使电池电压增加。池电压增加。影响电池性能和寿命的因素影响电池

183、性能和寿命的因素影响因素影响因素温度温度压力压力反应气体组分和利用率反应气体组分和利用率电流密度电流密度电解质的成分和电解板结构电解质的成分和电解板结构气体中杂质气体中杂质为提高电压，为提高电压，MCFC应工作在低反应工作在低反应气体利用率下，但这将导致燃料应气体利用率下，但这将导致燃料的利用不充分。为获得整体最佳性的利用不充分。为获得整体最佳性能，折衷后的燃料利用率一般为能，折衷后的燃料利用率一般为75-85%，氧化剂利用率一般为，氧化剂利用率一般为50%。影响电池性能和寿命的因素影响电池性能和寿命的因素影响因素影响因素温度温度压力压力反应气体组分和利用率反应气体组分和利用率电流密度电流密度

184、电解质的成分和电解板结构电解质的成分和电解板结构气体中杂质气体中杂质随电流密度的增大，随电流密度的增大，欧姆电阻、极化和浓欧姆电阻、极化和浓度损失都增大，从而度损失都增大，从而导致电池的电压下降导致电池的电压下降。影响电池性能和寿命的因素影响电池性能和寿命的因素影响因素影响因素温度温度压力压力反应气体组分和利用率反应气体组分和利用率电流密度电流密度电解质的成分和电解板结构电解质的成分和电解板结构气体中杂质气体中杂质一般典型的电解质组成是一般典型的电解质组成是62%Li2CO3+38%K2CO3.为获得较好的单电池性能，为获得较好的单电池性能，电解质板应该做得薄一些。电解质板应该做得薄一些。 影

185、响电池性能和寿命的因素影响电池性能和寿命的因素影响因素影响因素温度温度压力压力反应气体组分和利用率反应气体组分和利用率电流密度电流密度电解质的成分和电解板结构电解质的成分和电解板结构气体中杂质气体中杂质硫化物硫化物卤化物卤化物氮化物氮化物固态颗粒微尘固态颗粒微尘种类种类潜在影响潜在影响硫化物硫化物电压损失，通过电压损失，通过SO214与电解质反与电解质反应应卤化物卤化物腐蚀，与电解质反应腐蚀，与电解质反应氮化物氮化物通过通过NOx与电解质反应与电解质反应微尘微尘堵塞气体通路堵塞气体通路技术开发重点及主要课题技术开发重点及主要课题开发重点开发重点降低成本降低成本提高电池系统的性能提高电池系统的性

186、能和可靠性，延长寿命和可靠性，延长寿命要进入发电市场，要进入发电市场，需要将电池寿命需要将电池寿命提高到提高到40000h.技术开发重点及主要课题技术开发重点及主要课题开发重点开发重点降低成本降低成本提高电池系统的性能提高电池系统的性能和可靠性，延长寿命和可靠性，延长寿命燃料的来源和存储燃料的来源和存储系统体积的小型化系统体积的小型化研究工作研究工作阴极材料的选择及其电化学反应的研究阴极材料的选择及其电化学反应的研究阳极材料的选择及其电化学性能的研究阳极材料的选择及其电化学性能的研究电解质组分的选择与添加剂的研究电解质组分的选择与添加剂的研究电池耐腐蚀性能的研究电池耐腐蚀性能的研究电池本身需要

187、解决的问题电池本身需要解决的问题对对MCFC的工作性能和负载特性的研究的工作性能和负载特性的研究7，固体氧化物燃料电池，固体氧化物燃料电池l迄今为止，在人类所发明的能源转换方式迄今为止，在人类所发明的能源转换方式中，固体氧化物燃料电池中，固体氧化物燃料电池是是转换效率最高转换效率最高的。的。l19世纪末，世纪末，Nernst发现了固态氧离子导体，发现了固态氧离子导体，1935年年Schottky发表论文指出，这种发表论文指出，这种Nernst物质可以被用来作为燃料电池的固体电解物质可以被用来作为燃料电池的固体电解质。质。lBaur和和Preis在在1937年首次演示了以固态氧年首次演示了以固态

188、氧离子导体作为电解质的燃料电池。离子导体作为电解质的燃料电池。 SOFC的优点的优点l全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所带全固态的电池结构，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题。来的腐蚀和电解液流失等问题。l对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤气和其对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤气和其他碳氢化合物作为燃料。他碳氢化合物作为燃料。l能量转换效率高能量转换效率高l不需要使用贵金属催化剂不需要使用贵金属催化剂l低排放、低噪声。低排放、低噪声。l积木性强，规模和安装地点灵活。积木性强，规模和安装地点灵活。在大、中、小型发电站，移动式、便携式电源，以在大、中、小型发电站，移动式

189、、便携式电源，以及军事、航天航空等领域都有着广泛的应用前景。及军事、航天航空等领域都有着广泛的应用前景。关键材料关键材料关键材料关键材料单电池单电池电池堆电池堆电解质电解质阴极阴极阳极阳极连接材料连接材料密封材料密封材料电解质具备条件电解质具备条件l高的离子电导率和可以忽略的电子电高的离子电导率和可以忽略的电子电导率导率l在氧化和还原气氛中具有良好的稳定在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性性l能够形成致密的薄膜能够形成致密的薄膜l足够的机械强度（对于电解质支撑结足够的机械强度（对于电解质支撑结构）和较低的价格构）和较低的价格电解质电解质优点优点不足之处不足之处YSZ（氧化钇稳（氧化钇稳定的立方氧

190、化锆）定的立方氧化锆）在氧化和还原气氛下稳定在氧化和还原气氛下稳定性良好；性良好；机械性能良好；机械性能良好；寿命可达寿命可达4万小时以上；万小时以上；稳定可靠的原材料供给稳定可靠的原材料供给氧离子电导率低氧离子电导率低;与部分阴极材料不相与部分阴极材料不相容容掺杂氧化铈掺杂氧化铈（DCO)与阴极材料相容；与阴极材料相容；在低氧分压下为混合电子、在低氧分压下为混合电子、氧离子导体，适合做阳极氧离子导体，适合做阳极材料材料低氧分压下具有电子低氧分压下具有电子导电性，开路电压低；导电性，开路电压低；机械性能比机械性能比YSZ低低LSGM(钙钛矿钙钛矿结构的镓酸镧基结构的镓酸镧基氧化物）氧化物）与阴

191、极相容与阴极相容低氧分压下低氧分压下Ga挥发；挥发；与与NiO不相容；不相容；机械性能与机械性能与DCO相当相当SSZ（氧化钪稳（氧化钪稳定的立方氧化锆）定的立方氧化锆）在氧化和还原气氛下稳定在氧化和还原气氛下稳定性良好性良好Sc昂贵，来源受限制昂贵，来源受限制阴极阴极电子导电阴极电子导电阴极离子离子-电子混合导电阴极电子混合导电阴极新型阴极新型阴极贵金属贵金属锰酸锶镧锰酸锶镧(LSM)主要用于主要用于机理研究机理研究 锰酸锶镧锰酸锶镧(LSM)为钙钛矿结构，在为钙钛矿结构，在高温（高温（800-1000）下，具有合适的）下，具有合适的电子电导率和催化电子电导率和催化活性活性和良好的化学和良好

192、的化学稳定性，且与稳定性，且与YSZ有有相近相近的热膨胀系的热膨胀系数，从而成为高温数，从而成为高温SOFC的首选阴极材的首选阴极材料。料。阴极阴极电子导电阴极电子导电阴极离子离子-电子混合导电阴极电子混合导电阴极新型阴极新型阴极l混合导电材料同时具有电子和氧离子的导电特性，混合导电材料同时具有电子和氧离子的导电特性，用其作阴极电极性能较好，这种材料常用于中温用其作阴极电极性能较好，这种材料常用于中温SOFC的电极材料。的电极材料。l常见的混合导体为掺杂的钙钛矿结构氧化物，常见的混合导体为掺杂的钙钛矿结构氧化物，A1-xCxBO3-. A为一般一般为La系稀土金属元素；系稀土金属元素；B位一位

193、一般般为过渡金属元素，或若干种渡金属元素，或若干种过渡金属元素的渡金属元素的组合；合；C代表代表掺杂物种，一般物种，一般为碱土金属元素。其碱土金属元素。其电学性学性质和氧和氧还原催化活性与原催化活性与La系元素的性系元素的性质以以及碱土金属的取代量有关。及碱土金属的取代量有关。lIshihara发现A位位为Pr时该类复合氧化物的活性最复合氧化物的活性最好。好。阴极阴极电子导电阴极电子导电阴极离子离子-电子混合导电阴极电子混合导电阴极新型阴极新型阴极梯度阴极梯度阴极 梯度阴极是一种微结构优化的新型梯度梯度阴极是一种微结构优化的新型梯度功能材料，梯度功能材料是一种把某些性功能材料，梯度功能材料是一

194、种把某些性质不兼容的不同材料结合起来的有效方法。质不兼容的不同材料结合起来的有效方法。梯度功能材料的界面是递进的从一种材料梯度功能材料的界面是递进的从一种材料转化到另一种材料，在两种材料间不会有转化到另一种材料，在两种材料间不会有组成和（或）为结构的突变，而且随着组组成和（或）为结构的突变，而且随着组成的变化，材料的有效特性也发生改变，成的变化，材料的有效特性也发生改变，同时避免了诸如热膨胀系数等的不连续对同时避免了诸如热膨胀系数等的不连续对材料的结构和稳定所造成的破坏。材料的结构和稳定所造成的破坏。阳极阳极石墨石墨贵金属贵金属PtFe过渡金属过渡金属CoNi容易发生电化学氧化腐蚀容易发生电化

195、学氧化腐蚀阳极阳极石墨石墨贵金属贵金属PtFe过渡金属过渡金属CoNiPt电极在电极在SOFC运行中，反应产运行中，反应产生的水蒸气会使生的水蒸气会使阳极和电解质层阳极和电解质层发生分离发生分离阳极阳极石墨石墨贵金属贵金属PtFe过渡金属过渡金属CoNi阳极氧分压超过一阳极氧分压超过一定值时会被氧化定值时会被氧化阳极阳极石墨石墨贵金属贵金属PtFe过渡金属过渡金属CoNi相对比较稳定，但相对比较稳定，但价格高，熔点低价格高，熔点低阳极阳极石墨石墨贵金属贵金属PtFe过渡金属过渡金属CoNi1000时就容易烧时就容易烧结，阻塞阳极的气结，阻塞阳极的气孔结构孔结构 纯金属阳极都不能为纯金属阳极都不

196、能为SOFC技术所采用。技术所采用。 要阻止镍的烧结和晶粒生长，最好的办法就是在镍中要阻止镍的烧结和晶粒生长，最好的办法就是在镍中添加电解质添加电解质YSZ,构成构成Ni/YSZ金属陶瓷。金属陶瓷。Minh等早在等早在1964年就首次把镍和氧化锆的复合材料用作年就首次把镍和氧化锆的复合材料用作SOFC的阳极。复的阳极。复合阳极中的陶瓷组分阻止了在高温及长期运行时多孔金属合阳极中的陶瓷组分阻止了在高温及长期运行时多孔金属结构的致密化，同时使阳极和电解质的结合更加紧密。为结构的致密化，同时使阳极和电解质的结合更加紧密。为了保证其中电子导电的连续性，金属的含量有一个阈值，了保证其中电子导电的连续性，

197、金属的含量有一个阈值，同时氧化锆颗粒也是连续的。同时氧化锆颗粒也是连续的。Spacil认为复合材料中的陶认为复合材料中的陶瓷相主要起结构方面的作用，即保持金属颗粒的分散性和瓷相主要起结构方面的作用，即保持金属颗粒的分散性和长期运行时阳极的多孔结构。现在的研究一般认为，加入长期运行时阳极的多孔结构。现在的研究一般认为，加入的陶瓷组分除了起到结构方面的作用外，还可以为阳极提的陶瓷组分除了起到结构方面的作用外，还可以为阳极提供一定的氧离子导电性，从而增加反应的活性点，提高材供一定的氧离子导电性，从而增加反应的活性点，提高材料的催化活性。料的催化活性。l目前阳极的材料体系和微结构设计已是多种多样。目前

198、阳极的材料体系和微结构设计已是多种多样。l材料体系方面，在传统的材料体系方面，在传统的Ni/YSZ的基础上，发展出了的基础上，发展出了Ni/DCO材料，已被广泛用于中低温材料，已被广泛用于中低温SOFC. Gorte等金属铜代等金属铜代替或取代部分替或取代部分Ni,发现发现Cu、Ni、CeO2/YSZ复合阳极对多种碳复合阳极对多种碳氢化合物（例如甲烷、乙烷、丁烷、丁烯、甲苯等）的直接氢化合物（例如甲烷、乙烷、丁烷、丁烯、甲苯等）的直接电化学氧化有良好的催化活性，而且没有积炭现象。电化学氧化有良好的催化活性，而且没有积炭现象。La0.8Ca0.2CrO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8

199、O3、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3等等也被作为阳极材料加以研究。也被作为阳极材料加以研究。l大量的研究工作还集中在通过采用新的合成方法改进初始粉大量的研究工作还集中在通过采用新的合成方法改进初始粉体形貌，进而优化阳极的微结构，或者在阳极和电解质层之体形貌，进而优化阳极的微结构，或者在阳极和电解质层之间增加混合导体中间层，以减少阳极和电解质的界面电阻，间增加混合导体中间层，以减少阳极和电解质的界面电阻，减少阳极的极化，阻止阳极和电解质材料的反应。减少阳极的极化，阻止阳极和电解质材料的反应。l目前使用镍基阳极的目前使用镍基阳极的SOFC性能已经相当好。性能已经相当好。连接材料连接材

200、料作用：连接不同单电池的阴、阳极构成作用：连接不同单电池的阴、阳极构成SOFC电池堆的。电池堆的。要求：具有纯的、高的电子电导率，在氧要求：具有纯的、高的电子电导率，在氧化、还原气氛下稳定，与电池组件的热膨化、还原气氛下稳定，与电池组件的热膨胀系数匹配等。胀系数匹配等。常用的连常用的连接材料接材料钙钛矿型材料钙钛矿型材料Cr-Ni合金合金La1-xCaxCrO3La1-xSrxCrO3传统的高温传统的高温 SOFC采用采用掺杂的掺杂的LaCrO3作为作为连接材料连接材料铁素体不锈钢铁素体不锈钢廉价而且容易廉价而且容易加工，用于操加工，用于操作温度小于作温度小于600致密电解质薄膜的制备技术致密

201、电解质薄膜的制备技术 电池组件薄膜化是固体氧化物燃料电池组件薄膜化是固体氧化物燃料电池的一个重要发展趋势，制备质量电池的一个重要发展趋势，制备质量优异电解质薄膜是实现薄膜化的先决优异电解质薄膜是实现薄膜化的先决条件。条件。制备制备技术技术陶瓷粉末法陶瓷粉末法化学方法化学方法物理方法物理方法丝网印刷法丝网印刷法流延法流延法浆料涂覆法浆料涂覆法轧辊法轧辊法电泳沉积电泳沉积多次印刷法多次印刷法制备制备技术技术陶瓷粉末法陶瓷粉末法化学方法化学方法物理方法物理方法化学气相沉积技术化学气相沉积技术电化学气相沉积电化学气相沉积溶胶溶胶-凝胶路线凝胶路线喷雾热解法喷雾热解法制备制备技术技术陶瓷粉末法陶瓷粉末法

202、化学方法化学方法物理方法物理方法直流磁溅射直流磁溅射射频溅射射频溅射激光淀积激光淀积喷雾淀积喷雾淀积低温固体氧化物燃料电池的发展方向低温固体氧化物燃料电池的发展方向分类分类工作的温工作的温度区间度区间高温（高温（800-1000）中温（中温（600-800）低温（低温（400-600） 传统的高温传统的高温SOFC由于采用氧化钇稳定的氧化锆由于采用氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）为电解质，其在中低温时的氧离子电导率不够高，）为电解质，其在中低温时的氧离子电导率不够高，必须在高温（必须在高温（900-1000）下操作。）下操作。SOFC在高温运行时，在高温运行时，所发生的电极所发生的电极/电解质，电

203、极电解质，电极/双极板，电极、双极板与高双极板，电极、双极板与高温密封胶界面反应，以及电极在高温下的烧结退化等均会温密封胶界面反应，以及电极在高温下的烧结退化等均会降低电池的效率和稳定性；同时，也使电池关键材料的选降低电池的效率和稳定性；同时，也使电池关键材料的选择受到极大限制。因而，对电池各个组成部件要求非常苛择受到极大限制。因而，对电池各个组成部件要求非常苛刻，并且密封困难，成本很高。这些，使得刻，并且密封困难，成本很高。这些，使得SOFC一直未一直未能商业化，尽管西门子已经成功的示范了能商业化，尽管西门子已经成功的示范了100KW SOFC电电站。若降低电池的操作温度，使其工作在站。若降

204、低电池的操作温度，使其工作在500-600 的低的低温区，就可以保持高温温区，就可以保持高温SOFC的优点而克服其缺点。的优点而克服其缺点。低温低温SOFC的优点的优点l提高单位体积的功率密度提高单位体积的功率密度l可应用廉价的金属材料可应用廉价的金属材料l确保运行可靠性确保运行可靠性l减轻了各元件间的热失配程度减轻了各元件间的热失配程度l适应快速启动和频繁的热循环（可用作移动电源）适应快速启动和频繁的热循环（可用作移动电源）l可直接使用碳氢燃料，无需燃料重整器，可避免可直接使用碳氢燃料，无需燃料重整器，可避免积炭现象积炭现象l易于密封易于密封 由于低温固体氧化物燃料电池（由于低温固体氧化物燃

205、料电池（LT-SOFC)的商业化前景光明，的商业化前景光明， 越来越多的研越来越多的研究人员开始关注、研究究人员开始关注、研究LT-SOFC。由。由16个个国家组成的政府间国家组成的政府间“氢能经济国际合作伙氢能经济国际合作伙伴伴”（IPHE)已经将已经将 LT-SOFC列入其发展列入其发展计划。计划。 开发开发LT-SOFC，降低，降低SOFC的工作温度，的工作温度，关键问题是减小工作温度下固体电解质隔关键问题是减小工作温度下固体电解质隔膜的电阻和提高电极的催化活性。膜的电阻和提高电极的催化活性。电解质材电解质材料的要求料的要求稳定性稳定性电导率电导率相容性相容性热膨胀性热膨胀性气密性气密性

206、其他其他在氧化和还原环境中以在氧化和还原环境中以及从室温到工作温度的及从室温到工作温度的范围内，电解质必须化范围内，电解质必须化学稳定、晶型稳定和外学稳定、晶型稳定和外形尺寸稳定。形尺寸稳定。电解质材电解质材料的要求料的要求稳定性稳定性电导率电导率相容性相容性热膨胀性热膨胀性气密性气密性其他其他在氧化和还原气氛中，电在氧化和还原气氛中，电解质都要有足够高的离子解质都要有足够高的离子电导率和低得可以忽略的电导率和低得可以忽略的电子电导率，并且在较长电子电导率，并且在较长的时间内稳定。的时间内稳定。电解质材电解质材料的要求料的要求稳定性稳定性电导率电导率相容性相容性热膨胀性热膨胀性气密性气密性其他

207、其他在操作温度和制作温度在操作温度和制作温度下，电解质都应该与其下，电解质都应该与其他组元化学相容，而不他组元化学相容，而不发生反应。发生反应。电解质材电解质材料的要求料的要求稳定性稳定性电导率电导率相容性相容性热膨胀性热膨胀性气密性气密性其他其他从室温到操作温度和制从室温到操作温度和制作温度的范围内，电解作温度的范围内，电解质都应该与其它组元的质都应该与其它组元的热膨胀系数相匹配，以热膨胀系数相匹配，以避免开裂、变形和脱落。避免开裂、变形和脱落。电解质材电解质材料的要求料的要求稳定性稳定性电导率电导率相容性相容性热膨胀性热膨胀性气密性气密性其他其他电解质应该致密，从室电解质应该致密，从室温到

208、操作温度下，都不温到操作温度下，都不允许燃料气和氧气渗漏。允许燃料气和氧气渗漏。电解质材电解质材料的要求料的要求稳定性稳定性电导率电导率相容性相容性热膨胀性热膨胀性气密性气密性其他其他较高的强度和韧性、易较高的强度和韧性、易加工性和低的成本。加工性和低的成本。种类种类氧离子导体氧离子导体质子导体质子导体氧离子氧离子-质子混合导体质子混合导体低温固体氧化物燃料电池的低温固体氧化物燃料电池的电解质材料首选掺杂氧化铈电解质材料首选掺杂氧化铈（GDC或或SDC).8，金属金属/空气燃料电池空气燃料电池 金属金属/空气燃料电池也称金属空气燃料电池也称金属/空气电池，因为空气电池，因为其特征介于燃料电池和

209、常规化学电池之间。其特征介于燃料电池和常规化学电池之间。 燃料电池的特征是还原剂（即燃料，如燃料电池的特征是还原剂（即燃料，如H2、甲、甲醇等）和氧化剂（如醇等）和氧化剂（如O2)不储存在电池内，需依赖不储存在电池内，需依赖外部供应，电池内的电极扮演电化学反应催化剂外部供应，电池内的电极扮演电化学反应催化剂的角色，在放电过程中不消耗。的角色，在放电过程中不消耗。 常规化学电池则是将还原剂（如常规化学电池则是将还原剂（如Zn31、Cd等）等）和氧化剂（如和氧化剂（如MnO2、NiOOH等）分别制成等）分别制成负极负极和和正极正极材料材料置置于电池体内，放电的过程就是消耗于电池体内，放电的过程就是

210、消耗电极材料的过程。电极材料的过程。 工作原理工作原理 还原剂位活泼金属还原剂位活泼金属M(如如Zn、Al等），放电时等），放电时M被氧化被氧化成相应的金属离子成相应的金属离子Mn+.电解液一般采用碱性或中性介质，电解液一般采用碱性或中性介质，故电极反应的通式为：故电极反应的通式为： M + nOH- M(OH)n + ne- 或或 M + (n+m)OH- M(OH)n+mm- +ne- 由于使用金属固体燃料，不易像气体燃料和液体燃料由于使用金属固体燃料，不易像气体燃料和液体燃料那样可由外部流动补充，而且反应的动力学较快，不需催那样可由外部流动补充，而且反应的动力学较快，不需催化剂，因此电池

211、的负极材料就是还原剂化剂，因此电池的负极材料就是还原剂M本身，完全置于本身，完全置于电池内，这与常规化学电池相同。电池内，这与常规化学电池相同。 氧化剂为空气中的氧化剂为空气中的O2，放电时被还原成，放电时被还原成OH- O2 +2H2O +4e- 4OH- O2可完全依靠电池外部供应，不需要储存在电池体内，可完全依靠电池外部供应，不需要储存在电池体内，电池的正极材料是催化剂，这与燃料电池相同。电池的正极材料是催化剂，这与燃料电池相同。 特点特点l与氢气、甲醇等目前常用的气体、液体燃料相比，金与氢气、甲醇等目前常用的气体、液体燃料相比，金属固体燃料同样具有较高的能量密度。属固体燃料同样具有较高

212、的能量密度。l固体燃料补充方面不如气体燃料和液体燃料方便。目固体燃料补充方面不如气体燃料和液体燃料方便。目前采取的对策是机械式更换金属负极或以小金属颗粒前采取的对策是机械式更换金属负极或以小金属颗粒的形式加注燃料。的形式加注燃料。l如果不进行燃料加注而以一次电池的方式工作，金属如果不进行燃料加注而以一次电池的方式工作，金属/空气电池的比能量高于目前其他所有商品化电池。空气电池的比能量高于目前其他所有商品化电池。l由于正极为开放型的空气电极，工作受环境湿度影响，由于正极为开放型的空气电极，工作受环境湿度影响，电池容易因吸水或失水而失效。并且不利于密封，强电池容易因吸水或失水而失效。并且不利于密封

213、，强碱电解液会因吸收碱电解液会因吸收CO2而在空气电极中生成碳酸盐沉而在空气电极中生成碳酸盐沉淀，破坏气体电极的憎水性，造成电极性能下降，甚淀，破坏气体电极的憎水性，造成电极性能下降，甚至电解液泄漏。至电解液泄漏。研究历史研究历史 l金属金属/空气电池的历史几乎就是空气电极的历史。空气电池的历史几乎就是空气电极的历史。l早在早在19世纪初，空气电极就有报道。但直到世纪初，空气电极就有报道。但直到1878年，采用年，采用镀镀铂碳铂碳电极代替了克朗谢电池中的正极电极代替了克朗谢电池中的正极MnO2，才真正制成了第一个空，才真正制成了第一个空气电极。但采用微酸性电解液，电极性能很低，限制电池的应用。

214、气电极。但采用微酸性电解液，电极性能很低，限制电池的应用。l1932年，年，Heise和和Schumacher制成了碱性锌制成了碱性锌/空气电池，以汞齐化空气电池，以汞齐化锌为负极，具有较高的能量密度，但输出功率低，主要用于铁路锌为负极，具有较高的能量密度，但输出功率低，主要用于铁路信号灯和航标灯的电源。信号灯和航标灯的电源。l20世纪世纪60年代，由于燃料电池研究的发展，出现了高性能的碱性年代，由于燃料电池研究的发展，出现了高性能的碱性空气电极。这种新型气体扩散电极具有良好的气空气电极。这种新型气体扩散电极具有良好的气/液液/固三相结构，固三相结构，电流密度可达电流密度可达100mA/cm2

215、, 从而使高功率锌从而使高功率锌/空气电池得以实现。空气电池得以实现。 1977年，小型高性能的扣式锌年，小型高性能的扣式锌/空气电池已成功进行商业化生产，空气电池已成功进行商业化生产，广泛用于助听器的电源。广泛用于助听器的电源。l近年来，随着气体扩散电近年来，随着气体扩散电极极理论的进一步完善以及催化剂制备和理论的进一步完善以及催化剂制备和气体电极制作工艺的发展，碱性空气电极的性能有了进一步的提气体电极制作工艺的发展，碱性空气电极的性能有了进一步的提高。同时，对金属高。同时，对金属/空气电池气体管理的研究提高了电池的环境适空气电池气体管理的研究提高了电池的环境适应能力。应能力。关键部件关键部

216、件关键部件关键部件电极电极电解液电解液金属负极金属负极碱性空气正极碱性空气正极常常用用锌负极锌负极铝负极铝负极锌负极锌负极 锌在地壳中的锌在地壳中的丰丰度是度是7610-6，在，在元素丰度中占元素丰度中占25位。位。 单质锌是是银白白色金属，熔点色金属，熔点为419.5，是热和电，是热和电的良导体。由于锌电极具有平衡电的良导体。由于锌电极具有平衡电势低、质量和体积比能量高、资源势低、质量和体积比能量高、资源丰富、无环境污染等优点，因此锌丰富、无环境污染等优点，因此锌电极被广泛作为一次电池和二次电电极被广泛作为一次电池和二次电池的负极材料。池的负极材料。 锌电极的电化学反应（1）弱酸性或中性电解

217、质）弱酸性或中性电解质 Zn Zn2+ + 2e- Zn2+ + 2H2O Zn(OH)2 + 2H+ Zn(OH)2 ZnO + H2O ZnO + 2NH4Cl Zn(NH3)Cl + H2O PH=8-9时，这种沉淀物能够溶解。时，这种沉淀物能够溶解。（2）碱性电解质）碱性电解质 Zn + 2OH- Zn(OH)2 + 2e- Zn(OH)2 + 2OH- Zn(OH)4- 当当Zn(OH)4-浓度增大时，可形成固体沉淀物。浓度增大时，可形成固体沉淀物。锌负极的钝化 无论在弱酸性或中性溶液中，还是在碱性溶液中，无论在弱酸性或中性溶液中，还是在碱性溶液中，上述反应只有在低电流密度下，才能正

218、常进行，而上述反应只有在低电流密度下，才能正常进行，而在高电流密度下，锌电极的极化变得很大，使得电在高电流密度下，锌电极的极化变得很大，使得电流急剧降低，甚至电极不能放电，即电极发生钝化流急剧降低，甚至电极不能放电，即电极发生钝化现象。现象。 锌电极表面附近溶液中锌酸根的过饱和和碱浓锌电极表面附近溶液中锌酸根的过饱和和碱浓度的减少是锌电极钝化的主要原因。在低浓度碱液度的减少是锌电极钝化的主要原因。在低浓度碱液中锌电极更易钝化，因此，有利于提高锌酸根的溶中锌电极更易钝化，因此，有利于提高锌酸根的溶解度和增加碱液浓度的方法，都可抑制锌电极的钝解度和增加碱液浓度的方法，都可抑制锌电极的钝化、提高电流

219、密度和电极利用率。化、提高电流密度和电极利用率。影响碱性锌电极的因素影响碱性锌电极的因素性能影性能影响因素响因素一次一次电池电池锌的自腐蚀锌的自腐蚀锌的利用率锌的利用率二次二次电池电池电极形变和枝晶是影响电极形变和枝晶是影响锌电极寿命的主要原因锌电极寿命的主要原因这些问题这些问题都是由于都是由于锌的电化锌的电化学动力学学动力学过程快和过程快和产物在碱产物在碱性溶液中性溶液中可溶造成可溶造成的的解决解决方法方法加入添加剂加入添加剂改善隔膜性质和结构改善隔膜性质和结构采用非常规充电方式采用非常规充电方式电极添加剂电极添加剂电解液添加剂电解液添加剂将锌电极活将锌电极活性材料用添性材料用添加剂进行表加

220、剂进行表面处理，或面处理，或在制备锌电在制备锌电极时将添加极时将添加剂直接加入剂直接加入到电极活性到电极活性物质中物质中解决解决方法方法加入添加剂加入添加剂改善隔膜性质和结构改善隔膜性质和结构采用非常规充电方式采用非常规充电方式电极添加剂电极添加剂电解液添加剂电解液添加剂在电解液中加入在电解液中加入适量的添加剂适量的添加剂添加剂对锌电极性能的影响添加剂对锌电极性能的影响l在电极表面形成致密锌合金或吸附层；在电极表面形成致密锌合金或吸附层；l提高电极析氢超电势，抑制锌电极腐蚀；提高电极析氢超电势，抑制锌电极腐蚀；l增加锌活性物质的利用率；增加锌活性物质的利用率；l改善电极表面的润湿性；改善电极表

221、面的润湿性；l降低锌酸盐在电解液中的溶解度（针对二次锌电极）；降低锌酸盐在电解液中的溶解度（针对二次锌电极）；l增加锌电极充放电过程中的导电性；增加锌电极充放电过程中的导电性；l使电流平均化；使电流平均化；l保障电极的多孔结构；保障电极的多孔结构；l与锌电极放电产物形成固体络合物（针对二次锌电极）。与锌电极放电产物形成固体络合物（针对二次锌电极）。lHg和和HgO是使用最为广泛和有效的电极添加剂。它可与锌形是使用最为广泛和有效的电极添加剂。它可与锌形成一层汞齐附着于锌电极表面，提高电极析氢超电势，改善电成一层汞齐附着于锌电极表面，提高电极析氢超电势，改善电极的导电性，有效的抑制极的导电性，有效

222、的抑制H2的析出和增加电的析出和增加电极极利用率。最近代利用率。最近代汞添加剂主要是金属或金属氧化物，如汞添加剂主要是金属或金属氧化物，如Pb、Bi、Ca、Al、Sn、In、Tl和和Cd等的氧化物和氢氧化物。等的氧化物和氢氧化物。l改变电解液组成或加入无机、有机添加剂，也可有效的抑制改变电解液组成或加入无机、有机添加剂，也可有效的抑制H2的析出，提高电极利用率，以及减少电极形变和枝晶生成，的析出，提高电极利用率，以及减少电极形变和枝晶生成，改善循环寿命。如增加碱浓度和添加改善循环寿命。如增加碱浓度和添加ZnO可大大抑制可大大抑制H2的析出的析出和增加锌的利用率。而在电解液中加入某些能够减小放电

223、产物和增加锌的利用率。而在电解液中加入某些能够减小放电产物锌酸盐溶解度的添加剂，如氟化物、硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐锌酸盐溶解度的添加剂，如氟化物、硼酸盐、磷酸盐、硅酸盐等，可延长锌电极的循环寿命。还有一类被广泛选用的电解液等，可延长锌电极的循环寿命。还有一类被广泛选用的电解液添加剂是有机表面活性剂：如季铵盐、聚乙烯醇、三乙醇胺以添加剂是有机表面活性剂：如季铵盐、聚乙烯醇、三乙醇胺以及他类型表面活性剂。可减少及他类型表面活性剂。可减少晶粒晶粒的生长。的生长。分类分类锌电极锌电极形形态态锌皮锌皮锌膏锌膏压粉式锌电极压粉式锌电极循环式锌浆循环式锌浆易成型加工、价廉，易成型加工、价廉，但其电流密度低但其

224、电流密度低分类分类锌电极锌电极形形态态锌皮锌皮锌膏锌膏压粉式锌电极压粉式锌电极循环式锌浆循环式锌浆电极由锌粉组成，从而增大电极由锌粉组成，从而增大了真实表面积，使电池的输了真实表面积，使电池的输出能力大大增加出能力大大增加分类分类锌电极锌电极形形态态锌皮锌皮锌膏锌膏压粉式锌电极压粉式锌电极循环式锌浆循环式锌浆主要适用于主要适用于二次电池中二次电池中分类分类锌电极锌电极形形态态锌皮锌皮锌膏锌膏压粉式锌电极压粉式锌电极循环式锌浆循环式锌浆将锌粉与电解液形成的将锌粉与电解液形成的浆液输入电池内部发生浆液输入电池内部发生反应，而放电产物可由反应，而放电产物可由电解液带出。电解液带出。铝负极铝负极铝铝3

225、3的特征：的特征：（1）铝的电化学氧化涉及）铝的电化学氧化涉及3个电子，而铝的相对原子质量相对个电子，而铝的相对原子质量相对较低，因此铝负极的质量比容量可达较低，因此铝负极的质量比容量可达2.98Ah/g,接近接近Li负极负极（3.86Ah/g），优于），优于Zn负极（负极（0.82Ah/g）；）； 体积比容量可达体积比容量可达8.04Ah/cm3, 优于优于Li负极（负极（2.06Ah/cm3）和）和Zn负极负极（5.85Ah/cm3）。）。（2）铝是地球上含量最丰富的金属元素，金属铝价格低廉。）铝是地球上含量最丰富的金属元素，金属铝价格低廉。（3）金属铝表面存在由致密氧化物构成的钝化层，使

226、铝的氧化）金属铝表面存在由致密氧化物构成的钝化层，使铝的氧化变得困难。变得困难。 可以采用浓碱或汞齐化去除表面的钝化层，但是可以采用浓碱或汞齐化去除表面的钝化层，但是去保护的活泼金属铝会在电解液中很快繁盛腐蚀，即水被铝去保护的活泼金属铝会在电解液中很快繁盛腐蚀，即水被铝还原放出氢气，缩短寿命。还原放出氢气，缩短寿命。 从铝负极的特征可以看出，铝表面的从铝负极的特征可以看出，铝表面的钝化层是决定铝负极性能的关键因素，钝化层是决定铝负极性能的关键因素，钝化层太厚使铝变得不活泼，电化学计钝化层太厚使铝变得不活泼，电化学计划增大；钝化层太薄则铝容易腐蚀，损划增大；钝化层太薄则铝容易腐蚀，损失容量。铝合

227、金负极的研究思路是通过失容量。铝合金负极的研究思路是通过掺杂其它元素改变电极表面钝化层的性掺杂其它元素改变电极表面钝化层的性质，已达到质，已达到“活化活化”和和“缓蚀缓蚀”的目的。的目的。掺杂元素掺杂元素活活化化缓缓蚀蚀Ga、In、Mg、Hg等等Sn、Pb、Bi、Zn、Mn、Hg等等破坏致密钝化层破坏致密钝化层的形成，降低表的形成，降低表面层中的离子传面层中的离子传导电阻导电阻掺杂元素掺杂元素活活化化缓缓蚀蚀Ga、In、Mg、Hg等等Sn、Pb、Bi、Zn、Mn、Hg等等其特征是具有较其特征是具有较高的析氢超电势高的析氢超电势 掺杂元素掺杂元素活活化化缓缓蚀蚀Ga、In、Mg、Hg等等Sn、P

228、b、Bi、Zn、Mn、Hg等等实践证明，同时含有这两类合金元素实践证明，同时含有这两类合金元素的多元铝合金比仅含一类合金元素的的多元铝合金比仅含一类合金元素的二元铝合金性能明显优越二元铝合金性能明显优越l铝在中性电解液（盐溶液）中的腐蚀速度比较低，铝在中性电解液（盐溶液）中的腐蚀速度比较低，但盐溶液的离子电导率不如碱溶液，使用盐溶液但盐溶液的离子电导率不如碱溶液，使用盐溶液的电池只能用于小功率的场合。研究表明，对于的电池只能用于小功率的场合。研究表明，对于中性电解质，中性电解质，12%的的NaCl也可获得最大的电导率。也可获得最大的电导率。l为了获得大的输出功率，电池必须使用碱性电解为了获得大

229、的输出功率，电池必须使用碱性电解质。研究发现，在碱溶液中添加质。研究发现，在碱溶液中添加Ga2O3、In2O3、CaO、ZnO、Na2SnO3、柠檬酸钠等均可有效抑、柠檬酸钠等均可有效抑制铝的腐蚀，甚至可以减小铝负极的电化学极化。制铝的腐蚀，甚至可以减小铝负极的电化学极化。碱性空气电极碱性空气电极要求：要求：（1）高的孔隙率，即提高气体扩散速度，消除由于）高的孔隙率，即提高气体扩散速度，消除由于浓差极化所造成的性能衰减；浓差极化所造成的性能衰减；（2）薄液膜，即减小气体在液相中的扩散阻力，提）薄液膜，即减小气体在液相中的扩散阻力，提高极限电流密度；高极限电流密度；（3）高的交换电流密度，即提高

230、催化剂的电化学活）高的交换电流密度，即提高催化剂的电化学活性，减小电极电化学极化；性，减小电极电化学极化；（4）稳定的三相界面，即电极拥有较大的反应区，）稳定的三相界面，即电极拥有较大的反应区，使电极不至于由于三相界面的移动，造成电极使电极不至于由于三相界面的移动，造成电极“淹死淹死”或或“干涸干涸”的现象，影响电极的输出性能。的现象，影响电极的输出性能。碱性介质碱性介质中的氧还中的氧还原催化剂原催化剂铂铂简单金属氧化物简单金属氧化物金属复合氧化物金属复合氧化物有机过渡金属复合物有机过渡金属复合物氧化镍、镍钴氧化镍、镍钴复合氧化物、复合氧化物、二氧化锰等二氧化锰等碱性介质碱性介质中的氧还中的氧

231、还原催化剂原催化剂铂铂简单金属氧化物简单金属氧化物金属复合氧化物金属复合氧化物有机过渡金属复合物有机过渡金属复合物尖晶石型、尖晶石型、钙钛矿型钙钛矿型碱性介质碱性介质中的氧还中的氧还原催化剂原催化剂铂铂简单金属氧化物简单金属氧化物金属复合氧化物金属复合氧化物有机过渡金属复合物有机过渡金属复合物如卟啉、酞菁及如卟啉、酞菁及其衍生物，过度其衍生物，过度金属有金属有Fe、Co、Mn、Ni等等制备制备工艺工艺热塑法热塑法碾压法碾压法制备方法简单，易于工业化制备方法简单，易于工业化生产。缺点是由于热塑工艺生产。缺点是由于热塑工艺不能值得薄的电极膜，因而不能值得薄的电极膜，因而造成电极极化较大，电性能造成

232、电极极化较大，电性能较低。较低。制备制备工艺工艺热塑法热塑法碾压法碾压法工艺操作复杂，工艺操作复杂，控制难度大，不控制难度大，不易于大规模生产易于大规模生产电解质电解质电解质电解质液态电解质液态电解质聚合物电解质聚合物电解质离子液体离子液体普遍采用，但是容易普遍采用，但是容易吸收空气中的水分和吸收空气中的水分和二氧化碳，造成电解二氧化碳，造成电解液浓度和成分变化，液浓度和成分变化，随之带来金属电极性随之带来金属电极性能的降低；另一方面能的降低；另一方面开放体系存在漏液的开放体系存在漏液的可能。可能。电解质电解质电解质电解质液态电解质液态电解质聚合物电解质聚合物电解质离子液体离子液体碱性聚合物电

233、解质碱性聚合物电解质固态聚合物电解质固态聚合物电解质凝胶聚合物电解质凝胶聚合物电解质9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机众多小型、微型设备例如众多小型、微型设备例如手机、掌上电脑、笔记本手机、掌上电脑、笔记本电脑、数码摄像机、电脑、数码摄像机、CD播播放机，还有其他便携式电放机，还有其他便携式电源，例如小型通讯电源、源，例如小型通讯电源、各种应急电源、机器人电各种应急电源、机器人电源等。源等。 燃料电池在这一领域已经显示了其优越性，燃料电池在这一领域已经显示了其优越性，

234、加入燃料可以使电子设备工作更长时间，是具加入燃料可以使电子设备工作更长时间，是具有很高能量密度的锂离子电池的数倍。而且，有很高能量密度的锂离子电池的数倍。而且，采用加注燃料的方法对电池进行采用加注燃料的方法对电池进行“充电充电”，方，方便快捷，不需要经过二次电池所必需的动辄数便快捷，不需要经过二次电池所必需的动辄数小时的电化学充电过程。其中，质子交换膜燃小时的电化学充电过程。其中，质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池被认为是许多便携料电池和直接甲醇燃料电池被认为是许多便携式用电设备的理想电源。式用电设备的理想电源。l早在早在1966年，普拉特年，普拉特-惠特尼公司就开发了惠特尼公司就开发了50

235、0W碱性燃料碱性燃料电池便携式电源系统。这个系统是电池便携式电源系统。这个系统是为为军方开发的通讯电源，军方开发的通讯电源，采用没有作为燃料，通过蒸汽重整制氢供给燃料电池使用。采用没有作为燃料，通过蒸汽重整制氢供给燃料电池使用。l2003年格罗夫燃料电池研讨会上，巴拉德公司使用年格罗夫燃料电池研讨会上，巴拉德公司使用1.2KW的质子交换膜燃料电池移动电源的质子交换膜燃料电池移动电源AirGen为一个笔记本电脑为一个笔记本电脑和一台打印机提供电能。这样的移动系统已经商业化，市和一台打印机提供电能。这样的移动系统已经商业化，市场售价约场售价约6000美元。这是世界上第一台便携式室内备用燃美元。这是

236、世界上第一台便携式室内备用燃料电池发电机，作为民用或办公用后备电源，也可以作为料电池发电机，作为民用或办公用后备电源，也可以作为小规模的商业和工业应用。小规模的商业和工业应用。l波尔宇航公司开发的波尔宇航公司开发的PPS-50是一个用于取代电池的轻便燃是一个用于取代电池的轻便燃料电池电源，工作电压为料电池电源，工作电压为12V,可提供可提供50W的功率。这是一的功率。这是一个个为为军方设计的单兵军方设计的单兵PEMFC电池系统，外形尺寸为电池系统，外形尺寸为10.9cm19.6cm20.3cm,与一个午餐盒的大小相当，与一个午餐盒的大小相当，质量量不到不到3kg。其可以在各种天气条件下工作。其

237、可以在各种天气条件下工作。l日本和德国的燃料电池技术发展较为超前，目前，日日本和德国的燃料电池技术发展较为超前，目前，日本主要电子制造商已经开始着手制定笔记本电脑燃料本主要电子制造商已经开始着手制定笔记本电脑燃料电池的标准。电子厂商联盟、电池联盟、电子和信息电池的标准。电子厂商联盟、电池联盟、电子和信息技术工业联盟已经开始制定燃料电池业内标准，已经技术工业联盟已经开始制定燃料电池业内标准，已经参加的有日立、东芝、参加的有日立、东芝、NEC、佳能、卡西欧、三洋、佳能、卡西欧、三洋、夏普、索尼、富士通、松下以及三菱等厂商。目前，夏普、索尼、富士通、松下以及三菱等厂商。目前，东芝、东芝、NEC、索尼

238、、卡西欧、日立、三星、索尼、卡西欧、日立、三星、LG等公等公司已经纷纷开发出燃料电池逼近本电脑原型机。司已经纷纷开发出燃料电池逼近本电脑原型机。l日本东芝公司日本东芝公司2003年年10月月3日宣布开发出一种可用于日宣布开发出一种可用于手机和小型信息终端的燃料电池，之中电池质量为手机和小型信息终端的燃料电池，之中电池质量为130g,功率为功率为1W,该电池采用高浓度甲醇作燃料，可供该电池采用高浓度甲醇作燃料，可供手机正常通话手机正常通话20h. 9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电

239、池舰艇与飞机l电动车的历史实际比内燃机车的发展历史还要久远，到电动车的历史实际比内燃机车的发展历史还要久远，到1900年左年左右，形成了蒸汽机、电动车、内燃机车三足鼎立的格局。例如在右，形成了蒸汽机、电动车、内燃机车三足鼎立的格局。例如在美国，美国，1900年生产了年生产了1648辆蒸汽机车，辆蒸汽机车，1575辆电动车，辆电动车，963辆汽辆汽油内燃机车。后来，随着其发展，内燃机车逐渐对电动车形成价油内燃机车。后来，随着其发展，内燃机车逐渐对电动车形成价格和性能的优势。例如格和性能的优势。例如1912年左右，比较普遍的电动车年左右，比较普遍的电动车Century Electric Roadt

240、er市场售价是市场售价是1750美元，然而汽油车美元，然而汽油车Model T只需只需550美元就可以买到。美元就可以买到。l1839年格罗夫就发明了燃料电池，但世界年格罗夫就发明了燃料电池，但世界 上第一辆燃料电池车的出现却在一个世纪上第一辆燃料电池车的出现却在一个世纪 后的后的1959年，艾丽斯年，艾丽斯-查尔莫斯公司开发了查尔莫斯公司开发了 一辆碱性燃料电池驱动的拖拉机，这辆拖一辆碱性燃料电池驱动的拖拉机，这辆拖 拉机有四个燃料电池堆，每个电堆拉机有四个燃料电池堆，每个电堆252个个 单电池。单电池。9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车

241、燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车l1966年，通用汽车与联合碳化物公司开发出了第年，通用汽车与联合碳化物公司开发出了第一辆燃料电池面包车，使用液氢液氧为一辆燃料电池面包车，使用液氢液氧为32个串连个串连的碱性燃料电池堆提供燃料，最大时速的碱性燃料电池堆提供燃料，最大时速70mile (1mile=1609.34m),最大行程最大行程150mile.l1993年世界上第一辆燃料电池公共汽车在加拿大年世界上第一辆燃料电池公共汽车在加拿大的巴拉德电力系统公司诞生。行驶速度为的巴拉德电力系统公司诞生。行驶速度为95km/h,行驶

242、里程可达行驶里程可达400km.l最近几年，燃料电池公共汽车（最近几年，燃料电池公共汽车（FCB)项目引起比项目引起比较大的关注，燃料电池公交汽车发展迅猛。从较大的关注，燃料电池公交汽车发展迅猛。从2002年到年到2003年的燃料电池公交汽车增长数目是年的燃料电池公交汽车增长数目是32-65。这与世界上许多国家该方面项目的开展是。这与世界上许多国家该方面项目的开展是分不开的。分不开的。相关相关项目项目欧洲洁净城市交通计划（欧洲洁净城市交通计划（CUTE)加利福尼亚燃料电池伙伴计划（加利福尼亚燃料电池伙伴计划（CaFCP)国际环境基金（国际环境基金（GEF）项目）项目美国国家燃料电池公共汽车技术

243、计划美国国家燃料电池公共汽车技术计划(NFCBTI)澳大利亚燃料电池公共汽车项目澳大利亚燃料电池公共汽车项目加拿大自然资源管理局燃料电池公交车计划加拿大自然资源管理局燃料电池公交车计划美国燃料电池公共汽车项目美国燃料电池公共汽车项目中国中国863燃料电池公交车计划燃料电池公交车计划9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车燃料电池轿车燃料电池轿车l1970年科尔迪什将一辆四座的英国奥斯汀年科尔迪什将一辆四座的英国奥斯汀A40汽车改造成了第一辆燃

244、料电池轿车，行驶速度汽车改造成了第一辆燃料电池轿车，行驶速度为为70-80km/h,行驶里程为行驶里程为180km.这辆车作为个这辆车作为个人交通工具，在俄亥俄州的城市街道和高速公人交通工具，在俄亥俄州的城市街道和高速公路上行驶了路上行驶了3年。年。l近几年，世界上主要的汽车生产上都在积极开近几年，世界上主要的汽车生产上都在积极开发燃料电池轿车，不断有新型燃料电池轿车圆发燃料电池轿车，不断有新型燃料电池轿车圆形推出，下面简要介绍一下几个大汽车生产商形推出，下面简要介绍一下几个大汽车生产商的燃料电池汽车发展状况。的燃料电池汽车发展状况。汽车汽车公司公司戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒公司克莱斯勒公司通用汽

245、车公司通用汽车公司丰田汽车丰田汽车本田汽车本田汽车其他公司其他公司从从1994年至今，已经推出年至今，已经推出了六代燃料电池车。其中了六代燃料电池车。其中第五代电车，进行了横穿第五代电车，进行了横穿美国的长途试验，从美国美国的长途试验，从美国加州三藩市金门大桥北段加州三藩市金门大桥北段出发，经过出发，经过15天时间横穿天时间横穿美国到达华盛顿，全程美国到达华盛顿，全程5203km,创造了燃料电池创造了燃料电池连续行驶里程的一个世界连续行驶里程的一个世界纪录。第六代产品已有纪录。第六代产品已有60辆在美国、欧洲、日本和辆在美国、欧洲、日本和新加坡运行。新加坡运行。汽车汽车公司公司戴姆勒戴姆勒-克

246、莱斯勒公司克莱斯勒公司通用汽车公司通用汽车公司丰田汽车丰田汽车本田汽车本田汽车其他公司其他公司产品有：产品有：Zafira、FCEV、HydroGen1、HydroGen3、Hywire、HydroGen3改型改型汽车汽车公司公司戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒公司克莱斯勒公司通用汽车公司通用汽车公司丰田汽车丰田汽车15本田汽车本田汽车其他公司其他公司RAV4 FCEVRAV4 FCEV改型改型FCHV-3FCHV-4FCHV-5FCHV汽车汽车公司公司戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒公司克莱斯勒公司通用汽车公司通用汽车公司丰田汽车丰田汽车本田汽车本田汽车16其他公司其他公司FCX-V1FCX-V2FCX-V3F

247、CX-V4FCX汽车汽车公司公司戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒公司克莱斯勒公司通用汽车公司通用汽车公司丰田汽车丰田汽车本田汽车本田汽车其他公司其他公司福特汽车福特汽车17公司公司德国大众德国大众法国雪铁龙法国雪铁龙19、雷诺、雷诺20意大利菲亚特意大利菲亚特日本尼桑日本尼桑21、三菱、三菱229，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车燃料电池轿车燃料电池轿车燃料电池轻便车辆燃料电池轻便车辆9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源

248、便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车燃料电池轿车燃料电池轿车燃料电池轻便车辆燃料电池轻便车辆燃料燃料电池电池摩托摩托车车燃料燃料电池电池自行自行车车9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车燃料电池轿车燃料电池轿车燃料电池轻便车辆燃料电池轻便车辆燃料电池特种车辆燃料电池特种车辆燃料燃料电池电池火车火车头头燃料燃料电池电池叉车叉车l位于科罗拉多州的燃料电

249、池动力研究所建造了一辆燃位于科罗拉多州的燃料电池动力研究所建造了一辆燃料电池作动力的采矿用燃料电池火车头，采用料电池作动力的采矿用燃料电池火车头，采用Nuvera的质子交换膜燃料电池。这个火车头从的质子交换膜燃料电池。这个火车头从2002年十月起年十月起就在加拿大安大略省投入了运行，运行状况良好，用就在加拿大安大略省投入了运行，运行状况良好，用它可以拖载它可以拖载5节节20t的满载车厢。的满载车厢。l1969年恩格尔哈的开发了一辆燃料电池叉车。年恩格尔哈的开发了一辆燃料电池叉车。 l1997年，德国的氢气和叉车生产商林德公司和西门子年，德国的氢气和叉车生产商林德公司和西门子公司合作开发了第一辆

250、质子交换膜燃料电池叉车。用公司合作开发了第一辆质子交换膜燃料电池叉车。用金属氢化物储氢，可以存储金属氢化物储氢，可以存储26m3的氢气，续驶里程的氢气，续驶里程400km. 9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机在全世界范围内，固定在全世界范围内，固定电站是燃料电池尝试和电站是燃料电池尝试和测试最多的应用方式。测试最多的应用方式。9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机

251、燃料电池舰艇与飞机AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC作为固定作为固定式发电系式发电系统的应用统的应用可能性很可能性很小小9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC 受受20世纪世纪60-70年代世界性石油危机影响，年代世界性石油危机影响，美国和日本加大力度开发美国和日本加大力度开发PAFC燃料电池技术燃料电池技术作为大型节能发电技术应用。作为大型节能发电技术应用。20世纪世纪70年代年代末开始，美国的联合技术公司和日本的东芝末开始

252、，美国的联合技术公司和日本的东芝合作，在日本先后建立了合作，在日本先后建立了4.5 MW和和11 MW示示范电站。范电站。1990年开始向全世界销售年开始向全世界销售200 KW的的PC25磷酸燃料电池固定电站系统。例如在美磷酸燃料电池固定电站系统。例如在美国纽约市中央公园的警察局里的国纽约市中央公园的警察局里的PC25系统已系统已经连续工作了经连续工作了5年，接近年，接近40000 h.9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机AFCPAFCPEMFCMCFCSOFCl巴拉

253、德电力系统公司从巴拉德电力系统公司从20世纪世纪90年代中期年代中期就开始开发了就开始开发了250KW PEMFC固定电站系固定电站系统，统，1999年向年向Cinergy技术公司提供了第一技术公司提供了第一套套250KW的发电系统，安装在美国克雷恩的发电系统，安装在美国克雷恩市海军装备中心。市海军装备中心。l通用汽车公司通用汽车公司2004年年2月给道而建造了第一月给道而建造了第一个燃料电池拖车，用来给工人提供电力。个燃料电池拖车，用来给工人提供电力。9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞

254、机燃料电池舰艇与飞机AFCPAFCPEMFCMCFCSOFCl总部坐落于美国康涅狄格州丹伯利里市的总部坐落于美国康涅狄格州丹伯利里市的Fuel Cell Energy公司自公司自20世纪世纪70年代以来一直在开发熔融碳年代以来一直在开发熔融碳酸盐燃料电池电池技术。目前有酸盐燃料电池电池技术。目前有250 kw、1MW、2MW三种型号的商业化产品。三种型号的商业化产品。l2001年，年，FuelCell Energy与与Caterpilliar公司签订合同公司签订合同向美国的用户提供向美国的用户提供MCFC系统。系统。l并且和亚洲地区的一些地区也合作，并且和亚洲地区的一些地区也合作，2003年年

255、10月，在月，在美国印第安纳州特雷霍特的瓦伯什河电力公司建造了美国印第安纳州特雷霍特的瓦伯什河电力公司建造了2MW系统，这是第一个燃料电池系统，这是第一个燃料电池-洁净煤技术示范厂，洁净煤技术示范厂，采用煤和可再生燃料。采用煤和可再生燃料。9，燃料电池的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC 澳大利亚的陶瓷燃料电池公司（澳大利亚的陶瓷燃料电池公司（CFCL)建于建于1992年，主要生产平板固体氧化物燃料电池系统。年，主要生产平板固体氧化物燃料电池

256、系统。该公司已于该公司已于2002年生产出它的第一个年生产出它的第一个40kW燃料电池，燃料电池，定位于小型或中型工业和商业用户。定位于小型或中型工业和商业用户。 在日本，三菱重工和中部电力公司已经有一个在日本，三菱重工和中部电力公司已经有一个SOFC电堆运行了电堆运行了7500h. 由于目前示范的由于目前示范的SOFC都是高温工作（都是高温工作（900-1100）下工作，因而技术复杂，生产成本居高不）下工作，因而技术复杂，生产成本居高不下，严重地妨碍了商业化进程。目前国际上有发展下，严重地妨碍了商业化进程。目前国际上有发展中低温（中低温（500-800 ）SOFC的趋势。的趋势。9，燃料电池

257、的应用与前景，燃料电池的应用与前景应用应用便携式电源便携式电源燃料电池电动车燃料电池电动车燃料电池电站燃料电池电站燃料电池舰艇与飞机燃料电池舰艇与飞机 2003年年4月月7日，世界上第一艘质子交换膜燃料电池潜艇在德日，世界上第一艘质子交换膜燃料电池潜艇在德国基尔港下水。德国著名造船企业霍瓦兹造船公司建造的这艘国基尔港下水。德国著名造船企业霍瓦兹造船公司建造的这艘212A型潜艇被命名为型潜艇被命名为U31，这艘潜艇被誉为世界上最先进的常规，这艘潜艇被誉为世界上最先进的常规动力潜艇动力潜艇.成为世界潜艇发展史上的第一个新里程碑。成为世界潜艇发展史上的第一个新里程碑。 美国的美国的Anuvu公司公司

258、2003年公布了一个年公布了一个6KW燃料电池水上出租燃料电池水上出租艇，这是该公司的第二个燃料电池船只计划。这艘船使用燃料电艇，这是该公司的第二个燃料电池船只计划。这艘船使用燃料电池和充电电池做混合动力，可以乘坐池和充电电池做混合动力，可以乘坐18名乘客。名乘客。 美国美国Aerovironment公司一直在开发高速太阳能和电能飞机，公司一直在开发高速太阳能和电能飞机，该公司与该公司与NASA一起开发了燃料电池一起开发了燃料电池/太阳能电池飞机太阳能电池飞机“太阳神太阳神”，这个，这个247ft长的飞机像一个飞行的大翅膀，由地面控制中心的两长的飞机像一个飞行的大翅膀，由地面控制中心的两个飞行

259、员通过电脑操作。然而不幸的事，远程操控的个飞行员通过电脑操作。然而不幸的事，远程操控的Helios飞机飞机在在2003年栽进了太平洋而被毁坏了，灾难发生使燃料电池系统还年栽进了太平洋而被毁坏了，灾难发生使燃料电池系统还没有开始运行。目前看来，燃料电池在飞机上的应用目标不在于没有开始运行。目前看来，燃料电池在飞机上的应用目标不在于取代商用飞机引擎，而是用燃料电池与电动马达作为辅助动力。取代商用飞机引擎，而是用燃料电池与电动马达作为辅助动力。燃料电池具有更安静、清洁的特点，而且发电量比同样燃料的的燃料电池具有更安静、清洁的特点，而且发电量比同样燃料的的燃气轮机多燃气轮机多1倍。倍。作业四作业四1，简要说明燃料电池与其他电池的区别，并阐述燃简要说明燃料电池与其他电池的区别，并阐述燃料电池的优越性。料电池的优越性。2，电催化剂是燃料电池的核心部件，简单说明催化，电催化剂是燃料电池的核心部件，简单说明催化剂的作用，并列举几种燃料电池的催化剂。剂的作用，并列举几种燃料电池的催化剂。3，列举几种燃料电池的燃料。，列举几种燃料电池的燃料。4，电池中通常会用到隔膜，简单说一下其作用。，电池中通常会用到隔膜，简单说一下其作用。5，为什么说金属，为什么说金属/空气电池是介于燃料电池和普通空气电池是介于燃料电池和普通电池之间的一类特殊的电池。电池之间的一类特殊的电池。l完完