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1、材材 料料 科科 学学 导导 论论Introduction of Materials Science材料科学导论参考书：1.材料科学导论融贯的论述作者：冯端师昌绪等主编出版日期：2002年05月第1版2.材料科学导论作者：肖建中出版日期：2001年3.材料科学基础（第2版）作者：石德珂主编出版日期：2003年06月第2版4.材料科学基础作者：徐恒钧主编出版日期：2001年10月第1版5.材料科学基础作者：杜丕一潘颐编著出版日期：2002年03月第1版材料科学导论绪论一、材料的定义人们可用来制作物品的宇宙物质的子集在机器、结构件、器件、产品中因其特殊的性能而成为有用的物质。领域巨大：钢铁、水泥、
2、木材、塑料、玻璃、硅单晶、金刚石、材料科学导论地球是所有材料的来源和最终归宿。从矿石、树木、石油金属、水泥、化学产品、纸张、晶体、陶瓷、塑料各种产品废料或解体回归地球两大范畴：矿业及农业科学与工程采矿科学与工程材料科学导论材料科学与工程的定义：将材料的成分、结构、加工工艺、性能与环境影响联系起来的知识的探索、积累、研究、总结与开发应用。材料科学着重知识的探索、积累、研究、总结材料工程着重知识的开发应用材料科学导论材料、能源、信息是现代社会的三大支柱材料科学导论二、材料是人类进步的里程碑对材料的认识和利用的能力，决定了人类社会的形态和人类的生活质量。人类文明史，也可称为世界材料发展史人类的时代划
3、分，往往以使用的材料为标准材料科学导论石器时代（公元前几十万年前5000年）青铜时代（前5000年前1200年）铁器时代（前1200年公元1700年）钢铁时代（1700年现在）高分子时代（1909年现在）贝克兰用化学法合成酚醛树脂新石器时代信息时代（1947年现在）在硅晶体上制成了第一个三级管材料科学导论材料领域的强国，也是政治、军事强国1644年，“工业革命”英国成为“日不落帝国”，基础：钢、铁、煤的产量居世界第一钢铁与石器的交锋美利坚合众国向印第安人血与火的扩张（19世纪）材料科学导论WWI新兴资本主义强国要求“阳光下的土地”，重新划分势力范围WWII三个法西斯向世界宣战材料科学导论193
4、7年:日本世界排名中国铁240万吨(7)96万吨钢635万吨(6)56万吨石油产品245万吨25万吨汽车9500辆(8)0造船43万吨(3)1万吨面积37万平方公里960万平方公里人口1亿4.5亿材料科学导论1937年日本中国航空母舰20飞机7000坦克3000大炮2500580机枪70003500步枪180000150000材料科学导论1937年军事实力对比日本中国飞机2600架600架舰艇77万吨5.9万吨航空母舰4艘0坦克650辆120辆火炮15000门8000门材料科学导论抗日战争历时八年，中国付出巨大代价：军民伤亡3500万人财产损失5000亿美元上海、武汉、南京等城市受到严重破坏中
5、国钢产量发展进程（万吨）材料科学导论到2000年，我国主要材料产量：钢、钢材、水泥、玻璃位居世界第一10种有色金属、纯碱、烧碱等位居世界第二坚实的物质基础使中国的面貌焕然一新。1997年香港回归、1999年澳门回归2007年钢产量达4.6亿吨世界钢产量约13亿吨2007年私人汽车拥有量(万辆) 2,876 材料科学导论三、材料科学是新兴交叉学科融会多个学科如物理、化学、计算机、固体科学、结晶学、量子力学等，与多个学科交叉化学工程、电子工程、土木工程、环境工程、航空工程、核工程、生物医学工程等材料科学导论成分性能加工工艺结构环境材料科学导论材料科学是新兴交叉学科，将综合数学、物理学、化学、计算机
6、科学等知识，从原子、分子层次去研究电子、原子、离子的微观行为与材料的宏观性能的关系。在理论指导下，研制、开发、生产各种规格、用途的新型结构材料和功能材料。材料科学导论摩天大楼帝国大厦（1934,386m高）世贸中心(1973,415m高).巨型水坝阿斯旺水坝、三峡大坝.巨型油轮10万吨级(1960s)35万吨级(1980s)航空母舰2万吨级(1930s)4万吨级(1940s)10万吨级(1970s)材料科学导论巨型火箭土星级、长征级、阿里亚纳级隐形飞机F-117（1980s）、B-1、B-2（1990s）均是现代材料科学的工程结晶材料科学导论四、新材料是现代工农业发展的基础，是信息产业起飞的加
7、速器电子工业超纯、特薄、特细的材料原子能工业核电站、电子加速器、质子加速器耐腐蚀、耐辐射材料材料科学导论人类已进入信息时代，IC、Internet、IT技术的发展日新月异。现代材料科学进入了信息材料时代并为信息产业提供了坚实的物质基础：材料科学导论1883硒整流器1911硅整流器1926锗整流器1946锗单晶1947锗接触三极管（Transistor）1950锗结型三极管（PNP或NPN型）1952高质量硅单晶1954IntegratedCircuit（IC）问世材料科学导论1958IC集成度10个元件/cm21978IC集成度10万个元件/cm21999IC集成度10000万个元件/cm2材
8、料科学导论计算机发展简史：1945第一台电子计算机问世每秒运算5000次、体积100立方米1970s大型计算机运算速度1000万次/秒199910亿次/秒美克雷机、中银河机材料科学导论微型计算机发展：1981IBM-PC主频1MHz1982IBM-PC/XT主频2MHz1984IBM-PC/AT主频4MHz1985386计算机主频16MHz1989486计算机主频64MHz1993Pentium计算机主频133MHz1996P-II计算机主频256MHz1999P-III计算机主频500MHz2000P-IV计算机主频1.3GHz材料科学导论高纯(99.999999%)、大口径（300毫米）的
9、硅材料及高质量的III-V族化合物半导体材料是制备所有IC的最重要的物质。硅单晶直径：1英寸（1950s）4英寸(1960s)6英寸(1970s)8英寸(1980s)10英寸(1990s)12英寸(2000)16英寸（研究）材料科学导论全世界高纯单晶硅产量约4000吨，年产IC数百亿块，直接间接产值10000亿美元。从航天飞机、卫星、计算机、移动通信、CD、VCD、DVD及各种微型电子设备到精密制导武器、大型超视距雷达、各种战略核导弹等等，均是以高速、大容量的IC为基础建成的。材料科学导论光通讯发展简史1876Bell发明电话1880Bell发明光电话1960Maien发明Laser1966高
10、琨发表论文，认为可以将石英光纤的损耗从当时的1000dB/km降到20dB/km材料科学导论1970美国康宁公司率先制成损耗低于20dB/km的石英光纤1972石英光纤损耗低于4dB/km1981石英光纤系统开始商业化1988横跨大西洋的海底光缆投入使用（5747km）1989横跨太平洋的海底光缆投入使用（15927km）材料科学导论中国1977武汉邮电科学院研制出我国第一根阶跃式多模光纤300dB/km1987武汉-荆州（250km）国产长途光缆通讯系统完成1999兰州西宁拉萨（1800km）光缆完成、八纵八横线路一级光缆总里程突破70,000km2000光缆产量已达到100万公里规模材料科
11、学导论现代经济发展史表明：信息材料及其相关产业是发展速度最快的朝阳产业。中国彩电、手机、交换机、录象机、VCD、DVD机等产量在19802000年间已达到世界第一！我国信息产业飞速发展1978年1999年2001年电话300万8000万14000万移动电话04000万12000万寻呼机06000万8000万手机1.2亿户PC0350万500万截止2008年3月我国内地手机用户人数突破5亿大关，成为世界第一手机大国。 材料科学导论五、新材料是现代国防的保证坦克新型复合装甲材料火炮新型耐高温耐冲击材料飞机新型耐高温轻质合金、复合材料、隐身材料F-117A,B-2，F-22等材料科学导论隐身材料：N
12、i-Zn,Ni-Mg-Zn,Mn-Zn等，可大幅度减少雷达散射截面（RCS）RCSRCSB-52100m2B-1B0.75m2FB-1117m2B-20.1m2MiG-214m2F-117A0.025m2MiG-293m2材料科学导论火箭、导弹新型新型耐高温轻质合金、复合材料、遥感遥测材料高功率激光武器新型激光材料Nd:Y3Al5O12连续输出可达1KW30次/秒的巨脉冲输出可达10KW材料科学导论现代战争启示录表明：决定战争的胜负的主要物质因素已从钢铁的多少转到了硅片的多少。1982英国阿根廷马岛战争1991美英等国伊拉克海湾战争1999北约南斯拉夫科索沃战争2001美英等阿富汗阿富汗战争材
13、料科学导论远程精确打击能力巡航导弹（2000km）、反辐射导弹、空空导弹（120km）、反舰导弹（400km）等全天候作战能力红外夜视装备材料科学导论六、新材料是科技进步的关键美：星球大战计划、NMD计划中：863计划欧洲：尤里卡计划新材料研究与产业化将大大改变人类的社会现状材料科学导论大口径半导体材料IC的基础激光材料、光纤材料现代通讯的基础新型结构材料现代工程的基础光电子材料信息产业的基础材料科学导论纳米材料纳米碳管、C60、纳米粉体（ZnO,TiO2，Au,Ag,Pd等）生物材料人工骨、人工心脏、人工血管、人工皮肤等磁性材料高密度存储信息材料科学导论功能高分子材料轻、揉性、光、电、磁应用
14、清洁能源材料石油、煤的替代太阳能电池材料、固体燃料电池材料环境材料人类可持续发展的需要材料科学导论超导材料低温下无电阻1911Hg(4K)1989Tl-Ba-Cu-O(125K)希望：300K材料科学导论七、材料科学发展趋势纳米材料、信息功能材料、高性能结构材料成为世界范围的研究热点重点：新能源材料 能源应用情况概述能源应用情况概述 核能核能 太阳能太阳能 风能风能 新型二次电池材料新型二次电池材料 燃料电池材料燃料电池材料能源分类能源分类能源分类一次能源一次能源二次能源二次能源(经转经转换或提炼）换或提炼）可再生能源可再生能源非再生能源非再生能源风能，水能，太风能，水能，太阳能，地热，海阳能
15、，地热，海洋能，生物能洋能，生物能化石燃料（煤，化石燃料（煤，石油，天然气）石油，天然气）铀铀电能，氢能，汽电能，氢能，汽油，柴油等油，柴油等(1) 人类社会对能源的需求不断增加。人类社会对能源的需求不断增加。 能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。 人类社会的发展伴随着人类社会的发展伴随着能源消耗能源消耗的增加。的增加。能源应用现状(2)能源结构发生变化。世界一次商品能源构成世界一次商品能源构成(3)能源应用形态有所改变。 小型的小型的可移动电源可移动电源的需求量增长很快，的需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年这主要是信息技术发展的
16、结果；特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能够反对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。(4)矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）石油石油/年年天然气天然气/年年煤煤/年年铀铀/年年世界世界495726260中国中国236110230(5)矿物燃烧造成环境污染。(SO2、CO、CO2、NO）（植被、土壤；气候；健康）图2世界CO2排放量随时间的变化(6
17、) 新能源的开发不断取得进展新能源的开发不断取得进展 太太阳阳能能、生生物物能能、核核能能、风风能能、地地热热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。 新新能能源源的的开开发发一一方方面面靠靠利利用用新新的的原原理理来来发发展展新新的的能能源源系系统统，另另一一方方面面靠靠材材料料的的开开发发与与应应用用，使使新新系统得以实现，并提高效率，降低成本。系统得以实现，并提高效率，降低成本。(7)新材料的几个作用：新材料把原来习用已久的能源变为新能源。新材料把原来习用已久的能源变为新能源。 如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电如：半导体材料把太阳能有效
18、地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。燃料获得高温。一些新材料可提高储能和能力转化效果一些新材料可提高储能和能力转化效果 如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。能量转化功能而发展起来的新型二次电池。 新材料决定着核反应堆的性能与安全性。新材料决定着核反应堆的性能与安全性。 材料的组成、结构、制作、加工工艺决定材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。着投资与运行成本。 如：如：太阳电池材料
19、决定着光电转换效率；太阳电池材料决定着光电转换效率； 燃料电池的电极材料决定着电池的质量和燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命；寿命； 材料的制备工艺又决定着能源的成本。材料的制备工艺又决定着能源的成本。(8)能源材料的概念及分类广广义义上上，凡凡能能源源工工业业及及能能源源利利用用技技术术所所需需的的材材料都可称为能源材料。料都可称为能源材料。新新能能源源材材料料如如增增殖殖堆堆用用核核材材料料、太太阳阳能能电电池池材材料料节能材料如非晶态金属磁性，超导材料。节能材料如非晶态金属磁性，超导材料。储储能能材材料料如如贮贮氢氢（吸吸氢氢）材材料料，高高比比能能电电池池材材料料核能原子世界的
20、奇迹核能的威力体验原子弹与氢弹图片中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云束缚能束缚能就是指“把粒子从它的母体中分离出来所需要给它的能量”。比如把基态氢原子中的电子电离出来，必须给它13.55电子伏特的能量，则基态氢原子的束缚能就是13.55电子伏特。原子核(Nucleus)的构成原子核包含两种粒子：中子(Neutron)与质子(Proton)中子与质子的质量相近，约为电子质量的1840倍。质子为什么会聚在一核之内？（万有引力、质子为什么会聚在一核之内？（万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用）电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用）中子、质子、电子的质量它们质量很小，通常以“原子质量单位”u
21、表示1u=1.6610-27kg1me=9.10910-31kg=0.00055u1mp=1.6726210-27kg=1.00730u1mn=1.6749310-27kg=1.00869u原子核的结合能中子的质量质子的质量氘核的质量（质子质子+中子中子）核能何来核能的来源核能的来源的两个途径可以获得能量：1.重核裂变重核裂变，即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。2.轻核聚变轻核聚变。当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能。重核裂变与轻核聚变核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，
22、这个过程会释放能量。核聚变：数个小原子核结合并释放能量。原子能的开发与利用一、原子能的开发1、裂变的机制2、链式反应3、聚变反应的实现二、原子能的利用1、原子弹与氢弹2、核电站3、可控核聚变的研究现状与前景裂变的机制中子扰动克服强相互作用裂变过程中的核形变核裂变反应链式反应链式反应聚变反应高温高压克服电磁排斥氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。太阳上的核聚变反应视频：太阳原子弹与氢弹核能的直接体验原子弹：它是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。氢弹
23、：又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的裂变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与原子弹基本相同，但威力比原子弹大几十甚至上千倍。原子弹与氢弹图片中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云视频：原子弹与核能核电站可控裂变反应核裂变能的利用核电站一般分为两部分：1、利用原子核裂变生产蒸汽的核岛核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和2、利用蒸汽发电的常规常规岛（包括汽轮发电机系统）。压水堆核电站基本工作原理核岛核岛常规岛常规岛视频：核电站中国现有的核电站包括：秦山核电站（运营中）大亚湾核电站（运营中）岭澳核电站（运营中）田湾核电站（建设中）三门核电站（建设中）大亚湾核电站广东省深圳市龙岗区
24、大鹏镇大坑村岭澳I期核电站广东省深圳市龙岗区大鹏镇岭澳村秦山I期核电站浙江省嘉兴市海盐县秦山镇秦山II期核电站浙江省嘉兴市海盐县武原镇杨柳山秦山III期核电站CANDU型重水压水堆由加拿大原子能源有限公司(AECL Atomic Energy of Canada Limited)投资设计建造并经营，运行20年后产权和管理归属中国。秦山三期重水堆核电站三门核电站浙江省嘉兴市海盐县秦山镇螳螂山田湾核电站江苏省连云港市连云区高公岛乡田湾核能优点减少依赖化石燃料。生产巨大能量。只需小量原料。铀矿蕴藏量足够长期使用。运作成本较低（约为火力发电三分之一）。生产电力时不会造成空气污染。核能的缺点呼唤人类技术
25、进步如果核能发电厂发生爆炸就会放出大量的辐射如果核能发电厂发生爆炸就会放出大量的辐射。切尔诺贝利核电站大爆炸切尔诺贝利核电站大爆炸已有近万人死亡，十万人受到核辐射伤害，造成直接经济损失数十亿美元，间接经济损失数千亿美元，后患将影响一百年以上。有专家认为，苏联境内将有两万五千人死于核污染引起的癌症。核废料的处理不当将造成辐射污染核废料的处理不当将造成辐射污染核能发展现状与国家能源需求核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源一座百千瓦核裂变电站，300万吨原煤/年法国核电约占总发电量的70%左右英、美等国核电约占总发电量的20%左右,而中国大陆仅1%左右，核电可大有作为!可控
26、核聚变的研究现状与前景中国、日本、韩国、俄罗斯、美国和欧盟6大ITER成员国2005年6月28日在莫斯科敲定法国法国的卡达拉舍（Cadalache）为可控核聚变反应堆建设地，这一为期30年、共计投资将超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目很快就将正式启动。托卡马克装置托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束磁约束来实现受控核聚变的环性容器环性容器。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由苏联的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马
27、克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。托卡马克装置Tokamak Fusion Test Reactor, 1989, USA托卡马克装置Glowing Plasma inside the Tokamak Fusion Test Reactor中国的托卡马克装置中国的超导托卡马克EAST，ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak)-中国的人造太阳实验室研发阶段核辐射及其防护三种射线、和1899年卢瑟福（E.Rutherford）发现了、射线1900年法国维拉尔发现了射线卢瑟福是这三类辐射术语的命名者。射
28、线是带两个正电荷的氦核流；射线是带是带负电的电子流；射线是电中性的电磁辐射（高能光子流）。三种射线在电场中的偏转对这三种射线，用它们在垂直于运动方向的电场（或磁场）中的轨迹即可区分。视频：三种射线三种射线穿透性比较放射性活度和电离辐射剂量1、放射性活度一定量的放射性核素在单位时间内的衰变数单位：1贝克勒尔（Bq）=1次衰变/秒1居里（Ci）=3.71010Bq放射性活度只取决于放射源的性质放射性活度只取决于放射源的性质2、电离辐射与辐射剂量电离辐射：、与射线可以直接或间接引起物质电离放射性活度和电离辐射剂量3、电离辐射的照射剂量单位电离辐射剂量电离辐射剂量描述放射性射线与物质的相互作用后使物质
29、发生电离能力的大小。单位：1伦琴（R）=2.58104库仑/千克4、吸收剂量吸收剂量及单位吸收剂量：吸收剂量：单位质量的被照射物吸收辐照能量的能力单位：1戈瑞（Gray）=1焦耳/千克放射性活度和电离辐射剂量辐射剂量当量和有效剂量当量：辐射剂量当量和有效剂量当量：描述生物组织对辐射吸收剂量所产生的效描述生物组织对辐射吸收剂量所产生的效应应单位：单位：1希沃特（希沃特（Sv）=1焦耳焦耳/千克千克常用单位：毫希（常用单位：毫希（mSv） 1Sv=1000mSv常用单位：雷姆（常用单位：雷姆（rem） 1Sv=100rem日常生活中接触到的辐射剂量国家规定安全剂量5mSv年北京地区天然本底2mSv
30、年吃食物0.2mSv年砖制房屋0.4mSv年乘飞机0.01mSv小时日常生活中接触到的辐射剂量胸部透视大于0.1mSv次消化道造影大于13.7mSv次吸烟20支天1mSv年门诊透视大于0.3mSv次泥土、空气0.5mSv年太阳能太阳能太阳灶太阳灶太阳能热水器太阳能热水器航天器航天器太阳能发电装置太阳能发电装置太阳能汽车太阳能发电站太阳能发电站太阳能储备太阳能电池1954年年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为的太阳能电池，效率为4%，于，于1958年应用到美年应用到美国的国的先锋先锋1号号人造卫星上。人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊
31、的用电场合进入到太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用地面应用中。一个中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于由于材料、结构、工艺材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到太阳能电池的价格不到20世纪世纪70年代的年代的1%。预。预期期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长将可与火力发
32、电竞争。目前，年均增长率率35%，是能源技术领域发展最快的行业。是能源技术领域发展最快的行业。UV Visible Infrared太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(PhotovoltaicEffect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。太阳光谱图太阳光谱图太阳光谱图太阳光谱图太阳能电池的种类按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：n无机太阳能电池无机太阳能电池n半导体硅半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等）单晶、多晶、非晶、复合型等）n化合物半导体（化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）等）n有机太阳能电池有机太阳能电池n有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）有
33、机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）n光化学太阳能电池（光化学太阳能电池（纳米纳米TiOTiO2 2等）等）无机太阳能电池无机太阳能电池工作原理 当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。 无机太阳能电池研究进展表1 无机太阳能电池的性能及应用单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为58美分美分/（kWh）M. Grtzel, Photoelectrochemical cel
34、ls, Nature 2001(414), 338有机太阳能电池工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合 物 的 结 合 处)上 分 离 。 色素敏化色素敏化光化学光化学太阳能电池太阳能电池（DSSCsDSSCs） 阳极：染料敏化半导体薄膜染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料染料阴极：镀铂的导电玻璃镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-太阳能电池的发展方向太阳能电池的发展方向材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用
35、薄膜技术和剥离技术。使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发大规模生产技术的开发跟踪与聚光跟踪与聚光储电及并网发电结合储电及并网发电结合并网发电已占并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模规模VS太阳能热发电站太阳能热发电站与建筑物结合与建筑物结合_环保建筑环保建筑架设太阳电池组件架设太阳电池组件日本：日本：1994-2000年年 2万套屋顶光伏系统万套屋顶光伏系统185MW ；七万屋顶计划；七万屋顶计划 280Mw美国：美国：19972010年年 百万屋顶计划百万屋顶计划 3025MW 发电成本发电成本6美分美分集成在建筑材料上集成在建筑材料上曲线
36、形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃风力发电风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。风力发电有很強的地域性。不是任何地方都可以建站的。它必須建在风力资源丰富的地方。即风速大、持续时间长。风力资源大小与地势、地貌有关，山口、海岛常是优选地址。如新彊达板城、年平均风速6.2米/秒；内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7.2米/秒，江西鄱阳湖，年平均风速7.6米/秒；河北张北，年平均风速6.8米/秒；辽宁东港，年平均风速6.7米/秒；广东南澳，年平均风速8.5米/秒；福建平潭岛全县年平均风速8.4米/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8.5米/秒，年可发电风时数为3343小时
37、，为目前中国之冠。（以上数字引自“全国风力发电信息中心的并网风电场介绍”）。南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。在我国這样的地方还有许多许多正等待我们去探索、发现。风的季节性，决定了風力发电在整个电网中处于“配角地位。风力发电机使用有三种运行方式：能源利用：风力发电机，机群并网运行。有风发电，电能送入电网。无风不发电。无电网的高山，海岛，牧区：风力发电机与柴油发电机并联运行。有风时风力发电，无风时柴油发电机犮电。对用户来説时时都有电。同上无电网地区，要求不使用柴油发电，时时有电供应：採用蓄电池儲能的AC-DC-AC，即交，直，交风力发电系统。也就是有风时，风力发电机发出交流电
38、，经整流为直流电对蓄电池充电。再利用电力电子器件制造的“逆变器将蓄电池中的直流电转化为三相恒频恒压的交流电。这种系统多用在高山雷达站、微波中继站，海洋灯塔，航标灯场合。建设周期短一个万千瓦级的风电场建设周期不到一年。装机规模灵活根据资金情况灵活安排可靠性高机组寿命一般可达20年。运行维护简单实际占地面积少机组、监控与变电等建筑仅占火电厂的1%土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。单机容量小风能发电澳大利亚风力发电澳大利亚风力发电电池材料电池材料化学电源的特点 （1 1）能能量量转转换换效效率率高高 化化学学电电源源能能量量转转换换效效率率远远高于火力发电。从理论上讲可以达到远远高于火力发电。从理
39、论上讲可以达到100%100%。 （2 2） 污染相对较少污染相对较少 （3 3） 便于使用便于使用 化化学学电电源源的的特特点点还还在在于于具具有有可可携携带带性性、使使用用方方便便。可可以以做做成成适适合合不不同同工工作作需需要要的的多多种种性性能能的的装装置置，从从而而为为一一些些用用于于特特殊殊目目的的的的设设备备提提供供电电能能，这是其它供电方式无法比拟的。这是其它供电方式无法比拟的。化学电源性能指标化学电源性能指标 （1 1）容量）容量是指安培电流持续通过所给出是指安培电流持续通过所给出的电量的电量( (I I、t t) )。 （2 2）理论质量比能量）理论质量比能量是指是指1kg
40、1kg反应物所产反应物所产生的电能。生的电能。 （3 3）化学电源的寿命包括使用寿命，充放寿）化学电源的寿命包括使用寿命，充放寿命和贮存寿命。命和贮存寿命。一次电池锌银电池 锌银电池的结构式为：锌银电池的结构式为： Zn Zn（s s）Zn(OH)Zn(OH)2 2 (s) | KOH(40%)+K(s) | KOH(40%)+K2 2ZnOZnO2 2( (饱饱和溶液和溶液) )AgAg2 2O(s) | Ag(s) O(s) | Ag(s) 或写成或写成 Zn(s) Zn(s)ZnO(s) | ZnO(s) | KOH(40%) | AgKOH(40%) | Ag2 2O(s) | Ag(
41、s)O(s) | Ag(s)负极反应：负极反应： Zn + 2OHZn + 2OH- - Zn(OH) Zn(OH)2 2 + 2e + 2e- - 正极反应：正极反应： Ag Ag2 2O + HO + H2 2O + 2eO + 2e- - 2Ag + 2OH 2Ag + 2OH- -电池反应：电池反应： Zn + AgZn + Ag2 2O = ZnO + AgO = ZnO + Ag二次电池 1 1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的构成如下：铅酸蓄电池的构成如下： Pb (s) Pb (s)H H2 2SOSO4 4( aq , ( aq , b b) )PbOPbO2 2 (s)|
42、 Pb(s)(s)| Pb(s)负极：负极： Pb+HSO Pb+HSO4 4- - PbSO PbSO4 4+H+H+ +2e+2e- -正极：正极： PbO PbO2 2+3H+3H+ +HSO+HSO4 4- -+2e+2e- -PbSOPbSO4 4+2H+2H2 2O O 电池反应：电池反应： Pb+PbO Pb+PbO2 2+2H+2H+ +2HSO+2HSO4 4- - = 2PbSO = 2PbSO4 4+2H+2H2 2O O新型二次电池材料一次电池：充、放电过程不可逆。一次电池：充、放电过程不可逆。二次电池：二次电池： 充、放电过程是可逆的；充、放电过程是可逆的； 放电时通
43、过化学反应可以产生电能；放电时通过化学反应可以产生电能； 充电时通过反向电流将充电时通过反向电流将电能以化学能电能以化学能形式重新储存起来。形式重新储存起来。新型的二次电池：新型的二次电池： 铅酸电池和镉镍电池铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的是早已广泛应用的二次电池，但是二次电池，但是比能量都很低比能量都很低；另外，铅和镉；另外，铅和镉都是有毒金属，对环境的都是有毒金属，对环境的污染问题严重污染问题严重。 新型的二次电池性能优良，可循环使用，新型的二次电池性能优良，可循环使用，对环境的污染较小，避免了上述弊病。对环境的污染较小，避免了上述弊病。新型二次电池发展的新型二次电池发展的推动力推动力
44、 ：天然能源天然能源（石油、煤）（石油、煤）在不断消耗。在不断消耗。环境保护的呼声愈来愈高。环境保护的呼声愈来愈高。（无毒、无污染）（无毒、无污染）信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长的服务时间和工作寿命。的服务时间和工作寿命。航天领域（如卫星用电）和现代化武器（军事航天领域（如卫星用电）和现代化武器（军事通信设备）对轻质高能二次电池的需求迫切。通信设备）对轻质高能二次电池的需求迫切。新型二次电池的研究重点：新型二次电池的研究重点： 1）储氢材料及金属氢化物镍电池；）储氢材料及金属氢化物镍电池； 2) 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；锂离子嵌入
45、材料及液态电解质锂离子电池； 3) 聚合物电解质锂离子电池。聚合物电解质锂离子电池。 Ni NiMHMH二次电池二次电池产生：产生：2020世纪世纪6060年代末，发现储氢合金。年代末，发现储氢合金。19741974年开始储氢合金作为二次电池的负极材年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的研究。料的研究。19841984年解决了合金冲放电过程中容量迅速衰年解决了合金冲放电过程中容量迅速衰减的问题。减的问题。19871987年试生产。年试生产。1）工作原理）工作原理可以看出可以看出：利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应；利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应；正电极采用氧化镍物质，负电极采用吸收正电极采
46、用氧化镍物质，负电极采用吸收氢的合金；氢的合金；电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。化钾。KOHKOH电解质不仅起离子迁移电荷作用，电解质不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电极反应。而且参与了电极反应。2 2） 电极材料电极材料正极材料正极材料球形球形Ni(OH)Ni(OH)2 2正极材料正极材料Ni(OH)Ni(OH)2 2是涂覆式是涂覆式NiNiMHMH电池正极使用的电池正极使用的活性物质。活性物质。电极充电时电极充电时Ni(OH)Ni(OH)2 2转变成转变成NiOOHNiOOH，NiNi2+2+被氧化成被氧化成NiNi3+3+ 放电时放电时Ni
47、OOHNiOOH逆变成逆变成Ni(OH)Ni(OH)2 2， Ni Ni3+3+还原成还原成NiNi2+2+ 。 负极材料储氢合金负极材料储氢合金(MH)(MH) 用于用于NiNiMHMH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件：电池负极材料的储氢合金应满足下述条件：(a)(a)电化学储氢容量高；电化学储氢容量高；(b)(b)在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；(c) (c) 反复充放电过程中合金不易粉化；反复充放电过程中合金不易粉化；(d) (d) 合金应有良好的电和热的传导性；合金应有良好的电和热的传导性； (e) (e) 原材料成本低廉
48、。原材料成本低廉。图图88NiMH电池典型的温度曲线4 4） 发展优势发展优势 (a) (a) 能量密度高；能量密度高；(b) (b) 无镉污染，是绿色电池；无镉污染，是绿色电池； (c) (c) 可以大电流快速充放电；可以大电流快速充放电；(d) Ni(d) NiMHMH电池的工作电压也是电池的工作电压也是1.2V1.2V，与，与NiNiCdCd电池具电池具 有互换性等独特优势。有互换性等独特优势。在小型便携式电子器件中获得了广泛应用，在电动工具、在小型便携式电子器件中获得了广泛应用，在电动工具、电动车也正在逐步得到应用。电动车也正在逐步得到应用。使用镍氢电池的电动助力车使用镍氢电池的电动助
49、力车绿色环保的镍氢电池绿色环保的镍氢电池锂离子二次电池 这这种种电电池池中中采采用用特特殊殊炭炭材材料料代代替替金金属属锂锂为为负负极极，配配以以嵌嵌锂锂正正极极材材料料，在在充充放放电电过过程程中中通通过过锂锂离离子子在在正正、负负极极之之间间往往返返嵌嵌入入或或脱脱嵌嵌以以贮贮存存及及释放电能释放电能锂锂离离子子二二次次电电池池既既保保持持了了锂锂电电池池的的高高电电势势，又又避避免免了了金金属属锂锂循循环环性性不不良良和和安安全全性性差差等等缺缺点点，由由于于锂锂离离子子电电池池具具有有高高的的比比能能量量( (120 120 w w h h kgkg- -1 1) )长长循循环环寿寿命
50、命( (10001000次次) )，低低自自放放电电等等一一系系列列优优点点，19911991年年起起已已有有小小批批量量商商品品生生产产，然然而而，这这种种电电池池系系统统仍仍有有相相当当大大的的改改进进余余地地。目目前前有有关关锂锂离离子子二二次次电电池池的的研研究究已已成成为为二二次次锂锂电电池池研研究究中中最最活活跃跃，发展也最迅速的前沿领域。发展也最迅速的前沿领域。一、锂离子电池的结构与工作原理一、锂离子电池的结构与工作原理所谓锂离子电池是指分别用二个能所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地可逆地嵌嵌入与脱嵌锂离子入与脱嵌锂离子的的化合物化合物作为正负极构成的二作为正负极构成的二次电池
51、。人们将这种靠锂离子在正负极之间的次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的、独特机理的锂转移来完成电池充放电工作的、独特机理的锂离子电池形象地称为离子电池形象地称为“摇椅式电池摇椅式电池”1. 1.正极正极一一般般选选择择相相对对锂锂而而言言电电位位大大于于3V3V且且在在空空气气中中稳稳定定的的嵌嵌锂锂过过渡渡金金属属氧氧化化物物做做正正极极，如如层层层层状状状状结结结结构构构构的的的的LiMOLiMOLiMOLiMO2 2 2 2( ( ( (LiCoOLiCoO2 2、LiNiOLiNiO2 2) )和和和和尖尖尖尖晶晶晶晶石石石石结结结结构构构构的的的的LiM
52、LiMLiMLiM2 2 2 2O OO O4 4 4 4（M=CoM=CoM=CoM=Co、NiNiNiNi、MnMnMnMn、V V V V等过渡金属元素）等过渡金属元素）等过渡金属元素）等过渡金属元素）2. 2.负极负极做做为为负负极极的的材材料料则则选选择择电电位位尽尽可可能能接接近近锂锂电电位位的的可可嵌嵌入入锂锂化化合合物物，如如各各种种碳碳材材料料包包括括天天然然石石墨墨、合合成成石石墨墨、碳碳纤纤维维、中中间间相相小小球球碳碳素素等等和和金金属属氧化物，包括氧化物，包括SnOSnO、SnO2SnO2、锡复合氧化物等、锡复合氧化物等3. 3.电解质电解质电电解解质质采采用用LiP
53、FLiPF6 6（六六氟氟磷磷酸酸锂锂）的的乙乙烯烯碳碳酸酸脂脂（ECEC）、丙丙烯烯碳碳酸酸脂脂（PCPC）和和低低粘粘度度二二乙乙基基碳碳酸酸脂脂（DECDEC）等等烷烷基基碳碳酸酸脂脂搭搭配配的混合溶剂体系。的混合溶剂体系。4. 4.隔膜隔膜隔隔膜膜采采用用聚聚烯烯微微多多孔孔膜膜如如PEPE、PPPP或或它它们们复复合合膜膜，尤尤其其是是PP/PE/PPPP/PE/PP三三层层隔隔膜膜不不仅仅熔熔点点较较低低，而而且且具具有有较较高高的的抗穿刺强度，起到了热保险作用抗穿刺强度，起到了热保险作用外外壳壳采采用用钢钢或或铝铝材材料料，盖盖体体组组件件具具有有防爆断电的功能防爆断电的功能锂离
54、子电池的种类锂离子电池的种类根根据据锂锂离离子子电电池池所所用用电电解解质质材材料料不不同同，锂锂离离子子电电池池可可以以分分为为液液态态锂锂离离子子电电池池(lithium (lithium ion ion battery, battery, 简简称称为为LIB)LIB)和和聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, (polymer lithium ion battery, 简称为简称为LIP)LIP)它它们们的的主主要要区区别别在在于于正正极极或或电电解解质质的的不不同同, , 锂锂离离子子电电池池使使用用的的是是液液体体电电解解质质, ,
55、 而而聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池则则以以聚聚合合物物电电解解质质来来代代替替, , 这这种种聚聚合合物物可可以以是是“干干态态”的的, ,也也可可以以是是“胶态胶态”的的, ,目前大部分采用聚合物胶体电解质。目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池可分为三类：聚合物锂离子电池可分为三类：（1 1）固体聚合物电解质锂离子电池。固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。温使用。（2 2）凝胶聚合物电解质锂离子电池凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电。即
56、在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。池可在常温下使用。（3 3）聚合物正极材料的锂离子电池聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3 3倍，是最新倍，是最新一代的锂离子电池。一代的锂离子电池。聚合物锂离子电池的优点聚合物锂离子电池的优点聚合物锂离子电池具有可聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形薄形化、任意面积化与任意形状化状化等优点，也等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸不会产生漏液与燃烧爆炸等
57、安全上的问题，等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料高分子作正极材料，其质其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高5050以上以上。此。此外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。子电池被誉为下
58、一代锂离子电池。燃料电池比能量与工作时间的关系比能量与工作时间的关系 1 1铅蓄电池；铅蓄电池；2 2锌锌- -氧化银电池；氧化银电池；3 3发电机发电机( (汽油汽油液氧液氧) )；4 4发发电机电机( (液氢液氢液氧液氧); 5); 5燃料电池燃料电池( (液氢液氢液氧液氧) )。发电功率均。发电功率均为为1kW1kW氢氧燃料电池氢氧燃料电池-H-H2 2+O+O2 2H H2 2O(1)O(1)+一一般般燃燃料料电电池池所所具具有有的的高高效效率率、无无污污染染、无无噪噪声声、可可有有功功率率密密度度高高、工工作作温温度度低低、启启动动快快、使使用用寿寿命命长长等等优优点点。在在固固定定
59、电电站站、电电动动车车、军军用用特特种种电电源源、可可移移动动电电源源等等方方面面都都有有广广阔阔的的应应用用前前景景，已已引引起起越越来来越越多多国国家家和和企企业业的的重重视视，都都纷纷纷纷斥斥巨巨资资于于这这一一项项目目，目目前已接近于商业化应用。前已接近于商业化应用。背景介绍背景介绍燃料电池分类燃料电池分类类型类型电解质电解质 导电导电离子离子工作温度工作温度燃料燃料氧化氧化剂剂应用领域应用领域碱性燃料碱性燃料电池电池氢氧化氢氧化钾钾OH-50200纯氢纯氢纯氧纯氧电动交通工电动交通工具具质子交换质子交换膜燃料电膜燃料电池池全氟磺全氟磺酸膜酸膜H+室温室温100氢气氢气重整氢重整氢空气
60、空气便携式电源，便携式电源，电动交通工电动交通工具具磷酸型燃磷酸型燃料电池料电池浓磷酸浓磷酸H+100200重整气重整气空气空气电动交通工电动交通工具，区域供具，区域供电，电，熔融碳酸熔融碳酸盐型燃料盐型燃料池池锂锂-钾钾碳酸盐碳酸盐 CO32-650700净化煤气净化煤气天然气天然气重整气重整气空气空气区域供电区域供电固体氧化固体氧化物燃料电物燃料电池池氧化钇氧化钇稳定的稳定的氧化锆氧化锆O2-9001000净化煤气净化煤气天然气天然气空气空气区域供电区域供电l碱性燃料电池碱性燃料电池 AFC：Alkaline fuel celll质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 PEMFC: Prot
61、on Exchange Membrane fuel cellDirect methanol fuel cell，Direct-ethanol fuel celll磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池 PAFC : Phosphoric acid fuel cell l熔融碳酸盐型燃料池熔融碳酸盐型燃料池 MCFC: Molten carbonate fuel celll固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 SOFC : solid oxide fuel cell 全球燃料电池产业规模持续扩大，便携式电池和全球燃料电池产业规模持续扩大，便携式电池和小型固定式电池小型固定式电池全球燃料电池应用系统的增长（
62、单位：个）全球燃料电池应用系统的增长（单位：个）北美主导，其次是欧洲和日本，然后是韩国和北美主导，其次是欧洲和日本，然后是韩国和中国中国六十年代碱性燃料电池曾迅速发展并在航天领域得六十年代碱性燃料电池曾迅速发展并在航天领域得到应用。到应用。七十至八十年代，熔融碳酸盐燃料电池和七十至八十年代，熔融碳酸盐燃料电池和 固体氧化固体氧化物燃料电池发展起来。物燃料电池发展起来。九十年代以来，质子交换膜燃料电池得到迅猛发展。九十年代以来，质子交换膜燃料电池得到迅猛发展。把燃料电池应用到汽车上是一个历史性的突破，这把燃料电池应用到汽车上是一个历史性的突破，这种电动汽车的最大好处是灵敏度高，不会因汽车尾种电动
63、汽车的最大好处是灵敏度高，不会因汽车尾气等造成环境污染。气等造成环境污染。燃料电池应用速度加快，燃料电池应用速度加快，氢能燃料氢能燃料站持续增加站持续增加Fuel cells are different from electrochemical cell batteries in that they consume reactant, which must be replenished, whereas batteries store electrical energy chemically in a closed system. Additionally, while the electro
64、des within a battery react and change as a battery is charged or discharged, a fuel cells electrodes are catalytic and relatively stable.l质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 （PEMFC）一一个个PEMFC本本体体由由若若干干个个电电池池单单体体组组成成，每每个个电电池池单单体体又又包包括括双双极极板板、电电极极/铂铂催催化化剂剂和和质质子子交交换换膜膜等等部部件件。除除了了PEMFC本本体体外外，PEMFC系系统统还还包包括括燃燃料料及及其其循循环环系系
65、统统、氧氧化化剂剂及及其其循循环环系系统统、水水/热热管管理理系系统统等等辅辅助系统。助系统。 PEMFC的的工工作作原原理理如如下下（以以氢氢气气为为燃燃料料，以以氧氧气气为为氧氧化剂）：化剂）： （1） 增增湿湿后后的的氢氢气气通通过过双双极极板板上上的的气气体体通通道道穿穿过过阳阳极极扩散层，到达电池的阳极催化剂层，并吸附于催化剂层中。扩散层，到达电池的阳极催化剂层，并吸附于催化剂层中。 （2）吸吸附附于于阳阳极极催催化化剂剂层层中中的的氢氢气气在在铂铂催催化化剂剂的的作作用用下，发生阳极反应，在阳极上产生电子。下，发生阳极反应，在阳极上产生电子。 H2 2H+ + 2e 或：或：nH2
66、O + 1/2H2 H+nH2O + e（3） 随随后后，H+或或H+nH2O进进入入质质子子交交换换膜膜，通通过过与与膜膜中中磺磺酸酸基基上上的的H+进进行行质质子子交交换换到到达达电电池池阴阴极极。与与此此同同时时，增增湿湿的的氧氧气气也也穿穿过过双双极极板板上上的的气气体体通通道道和和扩扩散散层层，吸吸附附于于阴极电催化剂层中。阴极电催化剂层中。 （4） 吸吸附附于于阴阴极极催催化化剂剂中中的的氧氧气气与与交交换换而而来来的的H+在在铂铂催催化化剂剂的的作作用用下下，发发生生阴阴极极反反应应： 1/2O2 + 2H+ + 2e H2O在在阴阴极极上上电电子子被被吸吸收收，阳阳极极氢氢在在
67、较较低低电电位位下下氧氧化化，阴阴极极氧氧在在较较高高电电位位下下还还原原，两两极极间间产产生生电电位位差差，将将外电路连接就会形成电流，向外电路输出电能外电路连接就会形成电流，向外电路输出电能 因而理论上因而理论上PEMFC的转化率可超过的转化率可超过80%Fuel Cell StacksMost fuel cells designed for use in vehicles produce less than 1.16 volts of electricity-far from enough to power a vehicle. Therefore, multiple cells mus
68、t be assembled into a fuel cell stack. The potential power generated by a fuel cell stack depends on the number and size of the individual fuel cells that comprise the stack and the surface area of the PEM.Proton Exchange Membrane fuel cellsCES2007东芝展示东芝展示的一款使用的一款使用“直接甲直接甲醇燃料电池醇燃料电池” (Direct Methano
69、l Fuel Cell)的笔记本的笔记本电脑电脑直直接接甲甲醇醇燃燃料料电电池池，属属于于质质子子交交换换膜膜燃燃料料电电池池，使使用用液液态态甲甲醇醇为为燃燃料料，相相比比较较质质子子交交换换膜膜燃燃料料电电池池，DMFC低温生电、燃料成分危险性低、结构简单低温生电、燃料成分危险性低、结构简单DMFC的效率仍然不如现有的电池技术的效率仍然不如现有的电池技术 质子交换膜燃料电池的关键技术质子交换膜燃料电池的关键技术 PEMFC的的关关键键技技术术包包括括质质子子交交换换膜膜、电电催催化化剂剂和和膜膜电电极极的的制制备备，双双极极板板表表面面流流场场的的加加工工和和极极板板材材料料的的选选择择，
70、以以及及燃燃料料、氧氧化化剂剂的的使使用用和和水水热热管理等。管理等。目目前前制制约约PEMFC商商业业化化的的主主要要因因素素是是电电催催化化剂剂、电电解解质质膜膜和和双双极极板板等等部部件件的的成成本本太太高高 ，为为解解决这一决这一问题，国内外学者都进行了大量研究。问题，国内外学者都进行了大量研究。 质质子子交交换换膜膜(PEM)是是PEMFC的的一一个个核核心心组组成成部部分分，它它主主要要起起分分隔隔燃燃料料/氧氧化化剂剂和和传传导导质质子子的的作作用用。目目前前，国国内内外外应应用用最最广广的的仍仍然然是是全全氟氟磺磺酸酸材材料料制制成成的的PEM，如，如Nafion膜和膜和Dow
71、膜等。膜等。20世世纪纪70年年代代初初由由美美国国Dupont公公司司推推出出的的Nafion全全氟氟磺磺酸酸质质子子交交换换膜膜在在离离子子导导电电性性、电电子子绝绝缘缘性性、机机械械强强度度以以及及机机械械气气密密性性和和电电化化学学稳稳定定性性等等方方面面均均能达到实用要求，寿命长达能达到实用要求，寿命长达10年。年。电解质膜电解质膜在在使用使用PEM前，须对表面进行清洗以除去前，须对表面进行清洗以除去吸附在表面的有机杂物和金属杂质。吸附在表面的有机杂物和金属杂质。一般先用一般先用H2O2溶液在加热条件下清洗有机溶液在加热条件下清洗有机杂物；洗掉有机物后，用二次蒸馏水多次冲杂物；洗掉有
72、机物后，用二次蒸馏水多次冲洗除去残留的洗除去残留的H2O2然后用然后用H2SO4将膜中金属杂质去掉；最后将膜中金属杂质去掉；最后反复用蒸馏水将残留的反复用蒸馏水将残留的H2SO4冲洗干净冲洗干净PEM的使用的使用电极材料（电催化剂）电极材料（电催化剂）在在PEMFC中中，催催化化剂剂的的类类型型决决定定于于所所用用的的燃燃料料。目目前前，燃燃料料电电池池多多使使用用甲甲醇醇或或甲甲醇醇重重整整气气为为燃燃料料，这这两两种种燃燃料料中中都都含含有有CO。CO在在催催化化剂剂表表面面的的强强化化学学吸吸附附，可可导导致致催催化化剂剂的的活活性性表表面面全全部部被被CO占占据据，需需要要的的反反应应
73、不不能正常进行，造成催化剂能正常进行，造成催化剂CO中毒。中毒。克克服服CO中中毒毒的的方方法法：燃燃料料重重整整法法和和催催化化剂剂合合金金化法化法燃燃料料重重整整法法包包括括实实际际工工作作条条件件下下很很难难维维持持的的选选择择性性氧氧化化法法，如如Ballard公公司司通通过过在在铝铝上上的的催催化化剂剂铂铂(Pt)传传递递重重整整的的甲甲醇醇和和少少量量氧氧气气，降降低低燃燃料料电电池池中中的的CO含含量量至至0.01，和和在在有有充充足足H2通通入入的的情情况况下，在阳极增湿器通入下，在阳极增湿器通入H2O2催催化化剂剂合合金金法法是是将将一一种种或或两两种种元元素素加加入入到到基
74、基础础催催化化剂剂中中，将将催催化化剂剂制制成成合合金金，克服克服CO的中毒。的中毒。为为了了解解决决催催化化剂剂的的CO中中毒毒问问题题，催催化化剂剂研研究究主主要要集集中中在在PtM(M是是某某种种贵贵金金属属或或过过渡渡金金属属)二二组组分分合合金金和和三三组组分分合合金金方方面。面。在在二二元元阳阳极极催催化化剂剂中中，PtRu/C是是应应用用最最为为广广泛泛，也也是是较较为为成成熟熟的的抗抗毒毒化化催催化化剂剂，PtRu/C具具有有较较高高的的活活性及稳定性，性及稳定性，它可以在低电位下氧化它可以在低电位下氧化CO 催催化化原原理理：在在低低电电位位Ru的的表表面面上上可可以以吸吸附
75、附含含氧氧物物，将将邻邻近近的的吸吸附附在在Pt上上的的CO氧氧化化成成CO2，Pt的的活活性性点点得得以以空空出出，供供燃燃料料分分子子的的吸吸附附和和氧氧化化，从从而而提提高高燃燃料料氧氧化的速率和效率。化的速率和效率。 二组分合金二组分合金三元催化剂主要以三元催化剂主要以Pt、Ru合金为基础合金为基础。Holleck等等发发现现，三三元元催催化化剂剂Pt0.53-Ru0.32-W0.15合合金金在在低电压和高电压区域都较二元有着更好的性能。低电压和高电压区域都较二元有着更好的性能。Pinheiro等等分分析析了了Pt、Ru、Pt、Mo和和Pt-Ru-Mo/C的的性能，发现三元催化剂性能最
76、佳。性能，发现三元催化剂性能最佳。Chen等等对对WO3加加入入催催化化剂剂的的情情况况进进行行了了研研究究，结结果果表表明明WO3的的加加入入使使Pt/WO3和和Pt/Ru/WO 对对甲甲醇醇及及H/CO的的催化活性都有所提高。催化活性都有所提高。 Pt-Ni/C，Pt-Co/C，Pt-Cd/C在在PEMFC中中对对电电极极动动力力学学性性质质的的影影响响进进行行了了考考察察,结结果果显显示示3种种合合金金催催化化剂剂都都优优于于纯纯Pt催化剂催化剂三组分合金三组分合金膜电极膜电极 膜膜电电极极三三合合一一组组件件(MEA)主主要要由由质质子子交交换换膜膜、气气体体扩扩散散层层和和电电催催化
77、化层层三三部部分分组组成成, 对对PEMFC的的输输出出功功率率、能能量量密密度度分分布及工作寿命有着决定性的影响。布及工作寿命有着决定性的影响。其中膜主要有其中膜主要有Nafion膜、有机膜、有机/无机杂化聚合物电解质膜等无机杂化聚合物电解质膜等扩扩散散层层的的作作用用在在于于支支撑撑催催化化层层，收收集集电电流流，并并为为电电化化学学反反应应提提供供电电子子通通道道、气气体体通通道道和和排排水水通通道道，通通常常使使用用碳碳纸纸或或者者碳布碳布催化层则是电化学反应发生的场所，目前多采用催化层则是电化学反应发生的场所，目前多采用Pt催化剂。催化剂。目目前前人人们们已已经经开开发发出出多多种种
78、膜膜电电极极制制备备工工艺艺以以减减少少电电极极的的Pt载量，如涂膏法、浇注法、滚压法和电化学催化法等。载量，如涂膏法、浇注法、滚压法和电化学催化法等。双极板双极板 双极板作为双极板作为PEMFC的主要的结构和功能部件，目前的主要的结构和功能部件，目前其成本太高是制约燃料电池商业化的一个重要因素。其成本太高是制约燃料电池商业化的一个重要因素。文献表明，一个典型的文献表明，一个典型的双极板占整个电堆质量和体积双极板占整个电堆质量和体积的的80%，成本的，成本的46%。因此，对双极板材料及其制作工艺的开发是提高性能，因此，对双极板材料及其制作工艺的开发是提高性能，降低制造成本的主要途径之一降低制造
79、成本的主要途径之一双极板是双极板是PEMFC的一个多功能的组成部件，除了起的一个多功能的组成部件，除了起支撑膜电极和在两个单体电池间集流导电的作用外，还支撑膜电极和在两个单体电池间集流导电的作用外，还有导通气体、排水和传热等作用。有导通气体、排水和传热等作用。双极板材料双极板材料 双双 极极 板板 应应 具具 有有 以以 下下 性性 能能 ： (1) 电电 阻阻 率率0.01cm2(2)热热导导率率尽尽量量高高(3)氢氢气气渗渗透透率率0.15MPa(6) 密度密度5g/cm2。目目前前，PEMFC双双极极板板材材料料大大致致可可分分为为碳碳（石石墨墨）材料、金属材料和复合材料。材料、金属材料
80、和复合材料。石石墨墨双双极极板板材材料料有有完完全全石石墨墨化化材材料料和和碳碳复复合合材材料两种料两种主主要要优优点点是是具具有有好好的的耐耐蚀蚀性性、导导电电性性和和导导热热性性、接接触触电电阻阻小小以以及及密密度度低低等等。以以石石墨墨为为双双极极板板材材料料制制成成的的PEMFC是是目目前前各各种种双双极极板板材材料料制制得得的的PEMFC中中放放电电性性能能最最好好的的，常常被被用用作作开开发发其其它它新新材料双极板的参照体系。材料双极板的参照体系。缺缺点点也也较较明明显显：如如孔孔隙隙率率大大、机机械械强强度度低低、加加工性能差等。工性能差等。 与与石石墨墨双双极极板板相相比比，金
81、金属属材材料料的的强强度度高高、加加工工性性能能好好，可可制制成成很很薄薄的的双双极极板板以以制制造造重重量量比比能能量量和和体体积积比比能能量量都都很很高高的的PEMFC，金金属属的的气气体体不不透透过过性性能能够够阻阻隔隔氧氧化化剂剂和和还还原原剂剂，因因此金属材料是制作双极板的首选材料之一。此金属材料是制作双极板的首选材料之一。目目前前已已研研究究的的金金属属双双极极板板材材料料主主要要包包括括不不锈锈钢钢、钛钛、铝铝、镍镍等等。金金属属双双极极板板面面临临的的主主要要问问题题是是在在PEMFC环环境境中中的的腐腐蚀蚀问问题题。金金属属的的溶溶解解会会污污染染膜膜电电极极，而而金金属属表
82、表面面钝钝化化膜膜的的形形成成则则又又会会增大接触电阻增大接触电阻，从而降低电池性能。，从而降低电池性能。金属双极板金属双极板 复合双极板复合双极板 无孔石墨双极板石墨化费工时、成本高，而长寿无孔石墨双极板石墨化费工时、成本高，而长寿命金属双极板必须进行表面改性处理。为了充分利命金属双极板必须进行表面改性处理。为了充分利用石墨和金属材料的特点，已开发了用石墨和金属材料的特点，已开发了以金属基多孔以金属基多孔石墨、聚碳酸酯塑料和不锈钢为材料的复合双极板。石墨、聚碳酸酯塑料和不锈钢为材料的复合双极板。与无孔石墨板相比，制造多孔石墨便宜、省与无孔石墨板相比，制造多孔石墨便宜、省时，只要不锈钢和聚碳酸
83、酯部分能保证气体不时，只要不锈钢和聚碳酸酯部分能保证气体不渗透，就可使用多孔石墨。渗透，就可使用多孔石墨。石墨耐腐蚀，不锈钢能提供机械强度，聚碳石墨耐腐蚀，不锈钢能提供机械强度，聚碳酸酯能提供化学稳定性，并能被浇铸成各种形酸酯能提供化学稳定性，并能被浇铸成各种形状的密封圈。状的密封圈。复合材料的复合材料的优点优点在于成型制备快，体积小，在于成型制备快，体积小，重量轻，耐蚀性能好。重量轻，耐蚀性能好。缺点缺点是导电性差，机械是导电性差，机械性能差。性能差。 500kw质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池methanol-based micro fuel cell prototype克克 莱莱 斯
84、斯 勒勒 与与 加加 拿拿 大大 Ballard Power Systems联联合合开开发发燃燃料料电电池池系系統統，持持续续行行驶驶距距离离约约为为250km，最大速度，最大速度128km/h。 福特福克斯燃料电池汽车示意图福特福克斯燃料电池汽车示意图熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池(工作温度为工作温度为650700)熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔熔融融碳碳酸酸盐盐燃燃料料电电池池采采用用碱碱金金属属（Li、Na、K）的的碳碳酸酸盐盐为为电电解解质质，Ni-Cr/Ni-Al合合金金为为阳阳极极，NiO为阴极，导电离子为碳酸根离子为阴极，导电离子
85、为碳酸根离子阴极反应：阴极反应：1/2O2 + CO2 +2e- CO32- 阳极反应：阳极反应：H2 + CO32- H2O + CO2 + 2e-总反应：总反应：1/2O2 + H2 H2O阳极阳极阴极阴极2H2O24e2H2O2CO22CO32-4eH2O+CO24e隔膜隔膜是电解质的核心部件，它必须是电解质的核心部件，它必须具备强度具备强度高、耐高温熔盐的腐蚀，浸入熔盐电解质后能高、耐高温熔盐的腐蚀，浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，并且具有良好的离子导电等够阻挡气体通过，并且具有良好的离子导电等性能性能。由于由于LiAlO2具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀的能具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀的能力，
86、所以目前力，所以目前MCFC的隔膜一般由的隔膜一般由LiAlO2制成制成LiAlO2隔膜隔膜在制备隔膜过程中，一般采用由粗、细颗粒及纤在制备隔膜过程中，一般采用由粗、细颗粒及纤维组成的混合物。维组成的混合物。细颗粒（细颗粒（0.1 mm）多为）多为-LiAlO2，它能提供高的，它能提供高的孔积率。孔积率。粗颗粒（粗颗粒（10 mm）为）为-Al2O3用于提高抗压强度及用于提高抗压强度及热循环能力。热循环能力。加入加入-Al2O3纤维（纤维（5 mm）可以提高抗张强度和）可以提高抗张强度和抗弯强度。由此制得的隔膜能获得良好的电化学和抗弯强度。由此制得的隔膜能获得良好的电化学和热机械性能。热机械性
87、能。电解质电解质 燃燃料料电电池池的的电电解解质质应应具具有有尽尽可可能能高高的的离离子电导率和尽可能低的电子电导率。子电导率和尽可能低的电子电导率。在在MCFC中中采采用用的的碳碳酸酸盐盐电电解解质质主主要要有有(Li/K)2CO3和和(Li/Na)2CO3这二种。这二种。O2在在Li/K体体系系中中的的溶溶解解度度较较高高，阴阴极极极极化化较较弱弱，电电池池表表现现出出较较高高的的性性能能，因因此此该该体体系系被被普普遍遍采采用用。然然而而Li/K体体系系中中NiO阴阴极极的的溶溶解解度度较较高高，电池性能下降较快。电池性能下降较快。相相对对而而言言，Li/Na体体系系碱碱性性较较强强，N
88、iO的的溶溶解解性较低，有利于提高电池的稳定性性较低，有利于提高电池的稳定性 两类电解质的比较两类电解质的比较双极板是双极板是MCFCMCFC的一个多功能部件，它起如下作的一个多功能部件，它起如下作用：用：一是将阳极气氛与阴极气氛分离，因此，双极板一是将阳极气氛与阴极气氛分离，因此，双极板应具有阻气功能；应具有阻气功能；二是提供单电池之间的电接触，因此双极板应是二是提供单电池之间的电接触，因此双极板应是电的良导体；电的良导体；双极板双极板三是提供一个密封区，将燃料和氧化剂通过三是提供一个密封区，将燃料和氧化剂通过由双极板、密封件等构成的共用孔道，经各个单由双极板、密封件等构成的共用孔道，经各个
89、单池的进气管导入各个单池，并由流场均匀分配到池的进气管导入各个单池，并由流场均匀分配到电极各处；电极各处；四是利于电池组余热的排出，因为四是利于电池组余热的排出，因为MCFCMCFC电池电池组效率一般在组效率一般在50%50%左右，所以双极板必须是热的左右，所以双极板必须是热的良导体。良导体。此外，从工业化考虑，制备双极板的材料此外，从工业化考虑，制备双极板的材料应易于加工，适合于批量生产。目前，应易于加工，适合于批量生产。目前，双极双极板材料的研究主要集中于铁、镍基合金。其板材料的研究主要集中于铁、镍基合金。其中中316L316L型不锈钢显示较好的综合性能。型不锈钢显示较好的综合性能。德国巴
90、克杜尔，德国巴克杜尔，500KW融熔碳酸盐燃料电池电厂融熔碳酸盐燃料电池电厂固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 电解质电解质是电池核心是电池核心, 电解质性能直接决定电电解质性能直接决定电池工作温度和性能池工作温度和性能, 目前常用目前常用Y2O3 稳定稳定ZrO2 (简简称称YSZ)电极材料本身首先是一种催化剂电极材料本身首先是一种催化剂, 对对SOFC 阳极材料阳极材料,要求电子电导高要求电子电导高,在还原气氛中稳定并在还原气氛中稳定并保持良好透气性保持良好透气性. 常用的材料是常用的材料是Ni 粉弥散在粉弥散在YSZ中的金属陶瓷中的金属陶瓷SOFC 阴极材料在高温氧气氛环境工作阴极材料
91、在高温氧气氛环境工作,起传起传递电子和扩散氧作用递电子和扩散氧作用,应是多孔洞的电子导电性应是多孔洞的电子导电性薄膜薄膜. 要求阴极材料具有高电导率、高温抗氧化要求阴极材料具有高电导率、高温抗氧化性以及高温热稳定性性以及高温热稳定性,并且不与电解质发生化学并且不与电解质发生化学反应反应. 大量实验证明大量实验证明La xSr1 - xMnO3 是首选的阴是首选的阴极材料极材料连接体材料在高温下、氧化和还原气氛中连接体材料在高温下、氧化和还原气氛中组成稳定、晶相稳定、化学性能稳定组成稳定、晶相稳定、化学性能稳定,热膨胀热膨胀性能与电解质组元材料相匹配性能与电解质组元材料相匹配,同时具有良好同时具
92、有良好的气密性和高温下良好的导电性能的气密性和高温下良好的导电性能. 钙钛矿钙钛矿结构的结构的铬酸镧铬酸镧(LaCrO3) 常用作常用作SOFC 连接体连接体材料材料固体氧化物燃料电池电化学反应过程固体氧化物燃料电池电化学反应过程德国在德国在HDWHDW基尔船厂将世界上第一艘现代非核潜艇命名为基尔船厂将世界上第一艘现代非核潜艇命名为U31U31号。新式潜号。新式潜艇在水下巡游数周时间而不必升出水面，而常规柴电潜艇巡游两天时间艇在水下巡游数周时间而不必升出水面，而常规柴电潜艇巡游两天时间就会用尽电能。此外，燃料电池没有噪音，而且不会放出热量；这些因就会用尽电能。此外，燃料电池没有噪音，而且不会放出热量；这些因素有助于潜艇不会被发现。素有助于潜艇不会被发现。
