氫能與燃料電池技術(shù) 課件 5-燃料電池

第七章

燃料電池7.1燃料電池概述2威廉?格羅夫爵士（SirWilliamGrove1811—1896）威廉?格羅夫爵士發(fā)明的早期燃料電池為了紀(jì)念格羅夫爵士，國際氫能協(xié)會（IAHE）設(shè)立了“威廉·格羅夫爵士”獎（SirWilliamGroveAward），該獎項(xiàng)專門授予在電化學(xué)領(lǐng)域?qū)淠苎芯亢屠米龀鐾怀鲐暙I(xiàn)的組織和個人。7.1.1燃料電池的結(jié)構(gòu)燃料電池的原理起源世界上第一個簡易燃料電池威廉?格羅夫爵士1839年首次組裝尚班1838年首次提出燃料電池概念2燃料電池的組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的組成部件系統(tǒng)核心2燃料電池的組成電堆中每個單電池的均一性顯得尤為重要，單電池的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)百節(jié)單電池串接輔助系統(tǒng)科研院所研究電池關(guān)鍵材料和部件工廠、企業(yè)研究電池設(shè)計(jì)構(gòu)造及性能單電池均一性的控制2常見的電堆均一性問題：操作過程生成水累積引起的不均一電堆邊緣效應(yīng)引起的不均一材料、部件及結(jié)構(gòu)的均一性單電池的均一性電堆的均一性組裝、操作因素決定決定電堆的性能影響提升電堆性能時，單電池均一性的控制是科研人員面臨的一大技術(shù)難題。2燃料電池電堆的研究進(jìn)展電堆性能：1000mA/cm2電流密度下，體積比功率達(dá)到2736W/L，質(zhì)量比功率達(dá)到2210W/kg?？傮w性能與同時期國外水平相當(dāng)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所自主開發(fā)的燃料電池電堆電堆性能：采用3D流場設(shè)計(jì)，使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量，強(qiáng)化了傳質(zhì)，降低了傳質(zhì)極化，體積比功率可達(dá)3100W/L。日本豐田Mirai燃料電池(a)3D流場和(b)電堆7.1.2燃料電池的關(guān)鍵材料和部件2單電池電極催化劑電解質(zhì)/隔膜（固體電解質(zhì)叫做隔膜）催化劑/膜核心組件（CatalystCoatedMembrane，簡稱CCM）膜電極核心組件（MembraneElectrodeAssemblies，簡稱MEA）雙極板連接單電池構(gòu)建燃料電池堆的重要組件27.1.2.1燃料電池的關(guān)鍵材料——電極具有一定的機(jī)械強(qiáng)度；具備高的孔隙率和適合的孔分布；具有高的電子導(dǎo)電性；導(dǎo)熱性能好。電極陽極電極陰極（電化學(xué)反應(yīng)場所）（氧化反應(yīng)）（還原反應(yīng)）（石墨化的碳紙和碳布應(yīng)用廣泛）電極材料要求：27.1.2.1燃料電池的關(guān)鍵材料——催化劑2019年全球鉑族金屬資源分布年份201720202025單位鉑用量g(Pt)/kW1712.510燃料電池出貨量（按MW計(jì)）402001000總需求量（t）0.682.510燃料電池的鉑需求量預(yù)測商用Pt/C催化劑及其微觀分散情況催化劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向2受鉑資源和成本影響，低鉑化是燃料電池催化劑的發(fā)展方向。催化劑現(xiàn)狀：2020年，燃料電池汽車鉑催化劑的用量已從10年前的1.0g(Pt)/kW降至0.2g(Pt)/kW；進(jìn)一步降低，催化劑中鉑載量有望達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器貴金屬用量水平（<0.05g(Pt)/kW）。燃料電池催化劑鉑-金屬催化劑鉑核殼催化劑鉑單原子層催化劑非貴金屬催化劑研發(fā)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品性能國外日本Tanaka建立了穩(wěn)定的催化劑供應(yīng)系統(tǒng)，為本田Clarity燃料電池汽車提供鉑催化劑英國JohnsonMatthey鉑純度達(dá)到99.95%，擁有全世界最先進(jìn)的催化劑生產(chǎn)技術(shù)德國BASF全球最大的化工產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)國內(nèi)貴研鉑業(yè)鉑純度>99.99%，比表面積28±1.0m2/g武漢喜馬拉雅鉑催化劑日產(chǎn)能力達(dá)到200g，催化劑粒徑2-3nm，電化學(xué)活性面積達(dá)到90m2/g中科中創(chuàng)40wt%，60wt%的鉑單批次產(chǎn)能達(dá)到200g，催化劑粒徑2.8nm，電化學(xué)活性面積為85m2/g鉑催化劑的國內(nèi)外部分研發(fā)機(jī)構(gòu)及其性能2催化劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向催化劑性能要求：

催化劑

性能要求耐CO中毒抗甲醇氧化分散用量小接觸電阻小耐酸腐蝕導(dǎo)電好耐腐蝕比表面積高導(dǎo)電性好抗氧化性好電催化活性好穩(wěn)定性好合適的載體27.1.2.1燃料電池關(guān)鍵材料——電解質(zhì)根據(jù)燃料電池種類和用途不同，電解質(zhì)材料目前主要有兩個方向發(fā)展：先以石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)；采用全氟磺酸樹脂高分子膜和氧化鋯陶瓷膜。無機(jī)多孔膜（微米級厚度）固體電解質(zhì)電解質(zhì)液體電解質(zhì)（分隔燃料與氧化并傳導(dǎo)離子）（隔膜）電解質(zhì)層越薄，離子傳導(dǎo)效果越好。2質(zhì)子交換膜的性能要求質(zhì)子交換膜要求高質(zhì)子導(dǎo)電性低氣體滲透率低廉的價格化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性足夠質(zhì)子交換膜要求2質(zhì)子交換膜的分類類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)組成成分全氟磺酸質(zhì)子交換膜機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，在濕度大的條件下導(dǎo)電率高；低溫時電流密度大，質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小保水性能較差，溫度升高會引起質(zhì)子傳導(dǎo)性變差由全氟主鏈和帶有磺酸基團(tuán)的醚支鏈構(gòu)成，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性部分氟化質(zhì)子交換膜可適當(dāng)降低膜成本電化學(xué)性能不如全氟磺酸質(zhì)子交換膜主鏈部分含氟，質(zhì)子交換基團(tuán)一般是磺酸基團(tuán)非氟質(zhì)子交換膜價格便宜；含極性基團(tuán)的非氟聚合物親水能力在很寬溫度范圍內(nèi)都很高，膜保水能力較高；穩(wěn)定性有較大改善溶脹度較高且隨著溫度的降低，膜的吸水率下降幅度大，導(dǎo)致膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率大幅降低，化學(xué)穩(wěn)定性不如含氟膜全芳香型非氟碳?xì)浠衔?，質(zhì)子交換基團(tuán)一般是磺酸基團(tuán)質(zhì)子交換膜的分類級優(yōu)缺點(diǎn)2電解質(zhì)研究進(jìn)展全氟磺酸膜商業(yè)化全氟磺酸膜：Nafion、Flemion、Aciplex、Dow全氟長鏈骨架和聚醚支鏈（化學(xué)穩(wěn)定）接枝磺酸基團(tuán)（高質(zhì)子電導(dǎo)）美國杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸Nafion212,115,117等系列膜應(yīng)用最廣泛。國內(nèi)山東東岳公司已建成年產(chǎn)50t的全氟磺酸樹脂生產(chǎn)裝置、年產(chǎn)10萬m2的氯堿離子膜工程裝置和燃料電池質(zhì)子交換膜連續(xù)化實(shí)驗(yàn)裝置，生產(chǎn)的膜產(chǎn)品性能已達(dá)到商品化水平。目前質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米。2電解質(zhì)研究進(jìn)展地區(qū)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品型號厚度（微米，單位μm）E.W值（等效摩爾質(zhì)量，equivalentweight）備注地區(qū)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品型號厚度（微米）E.W值（等效摩爾質(zhì)量）備注海外科慕Nafion系列膜25-2501100-1200化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高，高濕度下質(zhì)子電導(dǎo)率高，低溫下電流密度大、質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小，目前市場占有率最高GoreGore-select復(fù)合——改性全氟磺酸膜，技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位3MPAIF復(fù)合膜——主要用于堿性工作環(huán)境旭硝子Flemion系列膜50-1201000具有較長支鏈，性能與Nafion膜相當(dāng)旭化成Alciplex膜25-10001000-1200具有較長支鏈，性能與Nafion膜相當(dāng)Dow陶氏Xus-B204膜125800因含氟側(cè)鏈短，合成難度大且價格高，現(xiàn)先已停產(chǎn)國內(nèi)東岳集團(tuán)DF988，DF2801膜50-150800-1200高性能，適用于高溫PEMFC的短鏈全氟磺酸膜武漢理工新能源復(fù)合質(zhì)子交換膜10-20—已向國內(nèi)外多家研究單位提供測試樣品并獲得好評質(zhì)子交換膜的國內(nèi)外部分研發(fā)機(jī)構(gòu)及其性能第七章

燃料電池7.1.2.2燃料電池的關(guān)鍵部件——雙極板2雙極板（電堆重要部件之一）提供氣體流場，防止氣體相互滲透收集電子，建立電流通路2雙極板材料的要求雙極板要求阻氣滲透性好電導(dǎo)率高溫場均勻低成本、易加工流場均勻機(jī)械性能好、輕、薄雙極板要求2流場的類型及作用幾種典型的雙極板流場主要作用：引導(dǎo)反應(yīng)氣、液流動方向，確保反應(yīng)氣、液在電極表面均勻分配，經(jīng)擴(kuò)散層到達(dá)催化層參與電化學(xué)反應(yīng)。流場的設(shè)計(jì)2平行和蛇形流場應(yīng)用較為廣泛計(jì)算機(jī)模擬仿真優(yōu)化流場計(jì)算機(jī)模擬仿真雙極板平行流場和蛇形流場的壓力、溫度、水和氫氣分布2雙極板材料的分類及特點(diǎn)炭質(zhì)雙極板主要為石墨材料優(yōu)點(diǎn)：石墨雙極板的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕性強(qiáng)，耐久性好，與膜電極之間的接觸電阻?。蝗秉c(diǎn)：石墨太脆，機(jī)械性能較差，裝電堆時不能承受過高的壓力，制作周期長，成本高。金屬雙極板鋁、鎳、鈦以及不銹鋼優(yōu)點(diǎn)：金屬強(qiáng)度高、韌性好，而且導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，功率密度更大，可制成超薄雙極板，能顯著提升電池功率密度；缺點(diǎn)：不銹鋼和鈦的表面都容易形成不導(dǎo)電的氧化物膜使接觸電阻增高，會降低電池效率。復(fù)合雙極板石墨和金屬復(fù)合目前的成本較高，導(dǎo)電性和機(jī)械性能還有待提升。未來，燃料電池將向低成本的復(fù)合雙極板發(fā)展。2國內(nèi)外雙極板研究現(xiàn)狀目前中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、新源動力股份有限公司、上海交通大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位已成功開發(fā)了金屬雙極板產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。德國ZSW機(jī)構(gòu)采用機(jī)器人自動雕刻雙極板和堆疊燃料電池德國太陽能氫研究中心能量儲存與轉(zhuǎn)化研究所（簡稱ZSW）采用機(jī)器人自動雕刻燃料電池雙極板，實(shí)現(xiàn)了燃料電池自動化堆疊。2國內(nèi)外雙極板研究現(xiàn)狀雙極板類型主要廠家導(dǎo)電率（S/cm）抗彎強(qiáng)度（MPa）腐蝕電流（μA/cm2）接觸電阻（mΩ?cm2）石墨雙極板美國POCO>100>34——加拿大Ballard—50——上海弘楓>100>50——金屬雙極板瑞典Cellimpact——0.5—德國Dana——0.5—大連新源動力——0.5—上海佑戈——<13上海治臻新能源——<15復(fù)合雙極板大連新源動力————武漢喜馬拉雅>62.5>51——雙極板的國內(nèi)外部分研發(fā)機(jī)構(gòu)及其性能27.1.2.3燃料電池關(guān)鍵部件——MEA熱壓和噴涂是制作MEA的關(guān)鍵工藝！膜電極及其結(jié)構(gòu)（電堆核心部件之一）MEA組件關(guān)鍵材料質(zhì)子交換膜催化劑電極（關(guān)鍵材料需匹配良好，結(jié)合均勻緊密，界面性能好）2MEA技術(shù)路線第一代CCS法第二代CCM法第三代有序化制備工藝簡單，技術(shù)已基本成熟，但催化劑利用率低，催化劑和質(zhì)子交換膜結(jié)合力較差，界面阻力大，膜電極整體性能不佳實(shí)現(xiàn)了材料超薄化，減小了歐姆降，制備的膜電極性能良好，被認(rèn)為是燃料電池電堆技術(shù)的第二次革命，目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的主流方法，但也存在膜變形和膜吸收催化劑等問題擴(kuò)大了三相反應(yīng)界面，形成優(yōu)良的多相傳質(zhì)通道，大幅提升催化劑利用率、膜電極性能，但有序化控制難度大，制備設(shè)備要求高，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需時日2MEA發(fā)展現(xiàn)狀

研發(fā)單位功率密度鉑載量國外美國3M0.86W/cm2@0.692V0.115mg(Pt)/cm2美國Gore—0.175g(Pt)/kW國內(nèi)武漢理工新能源1W/cm20.4g(Pt)/kW大連新源動力0.8W/cm2@1200mA/cm20.4g(Pt)/kW昆山桑萊特>0.75W/cm2@0.6V—南京東焱氫能0.8W/cm2@0.65V—蘇州擎動0.8W/cm2—膜電極的國內(nèi)外部分研發(fā)機(jī)構(gòu)及其性能2MEA發(fā)展現(xiàn)狀燃料電池關(guān)鍵材料最新技術(shù)及下一代膜電極的設(shè)計(jì)2總結(jié)雖然燃料電池各關(guān)鍵材料和組件已經(jīng)形成較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但大多數(shù)電池關(guān)鍵材料和組件核心技術(shù)仍然被國外壟斷，需進(jìn)口，國內(nèi)的電池關(guān)鍵材料和組件生產(chǎn)制備技術(shù)還需進(jìn)一步提升和大力發(fā)展。第七章

燃料電池7.1.3燃料電池的工作原理2燃料電池工作原理圖燃料電池系統(tǒng)實(shí)物圖（電化學(xué)裝置）氧化劑還原反應(yīng)燃料和氧化劑儲罐（儲存能量）電池回路燃料氧化反應(yīng)電堆（決定輸出功率）2氫氧燃料電池當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時，氫氧燃料電池的陽極、陰極以及總反應(yīng)式如下：陽極反應(yīng)：2H2→4Ｈ＋+4ｅ-陰極反應(yīng)：O2+4H++4ｅ-→2H2O電池總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O

可以看做電解水的逆向過程。氫氧燃料電池工作原理圖2燃料電池的工作曲線燃料電池放電時，由于各種極化作用，電壓會隨電流密度增加而逐漸降低，結(jié)果表現(xiàn)為電流密度-電壓曲線（又稱IV曲線或極化曲線）。該曲線是燃料電池的典型放電曲線，也是衡量燃料電池性能的重要指標(biāo)之一。燃料電池的實(shí)際放電曲線燃料電池的理論極化特性曲線第七章

燃料電池7.1.4燃料電池的特點(diǎn)2熱能機(jī)械能化學(xué)能電能熱機(jī)過程燃料電池燃料電池直接發(fā)電與熱機(jī)間接發(fā)電的差別燃料電池具有以下幾個特點(diǎn)發(fā)電效率高環(huán)境污染小比能量高噪音低燃料范圍廣可靠性高防紅外探測易于建設(shè)27.1.5燃料電池的分類和應(yīng)用燃料電池的分類質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)磷酸燃料電池(PAFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)堿性燃料電池(AFC)燃料電池通常按電解質(zhì)的類型來分類：2各種燃料電池比較電池種類堿性燃料電池磷酸燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池電解質(zhì)氫氧化鉀磷酸溶液質(zhì)子交換膜碳酸鉀氧化鋯工作溫度（℃）25-250150-21025-100600-700600-1100能量轉(zhuǎn)化效率（%）6540-60554850-65功率密度（W/kg）35-105120-180340-300030-4015-20啟動時間（s）>60>60<5>600>600壽命（萬小時）58-156-822-9應(yīng)用領(lǐng)域航空航天中小型發(fā)電站動力汽車、便攜電源大型發(fā)電站大型發(fā)電站燃料電池的應(yīng)用27.1.6燃料電池的發(fā)展歷程2早期實(shí)驗(yàn)室階段（構(gòu)建電池模型）

中期軍用階段（航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用）

現(xiàn)在民用推廣階段（交通工具和發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用）燃料電池砥礪前行，通過一代代研究人員的努力，其性能不斷提升，成本不斷降低，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。27.1.6.1國內(nèi)外燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀第一代第二代第三代第四代第五代按出現(xiàn)的時間先后，燃料電池經(jīng)歷了第一代至第五代。堿性燃料電池磷酸燃料電池固體氧化物燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池22019年，氫能首次寫入《政府工作報告》，成為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，為我國燃料電池的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。近年來，我國燃料電池技術(shù)發(fā)展迅速。20世紀(jì)50年代末我國開始研究燃料電池70年代

研究出現(xiàn)了第一次高峰，主要是國家投資的航天用堿性燃料電池，如氨/空氣燃料電池、肼/空氣燃料電池、乙二醇/空氣燃料電池等80年代我國燃料電池研究處于低潮90年代隨著國外燃料電池技術(shù)取得了重大進(jìn)展，國內(nèi)又形成了新一輪的燃料電池研究熱潮7.1.6.1國內(nèi)外燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀我國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)2我國第一輛燃料電池輕型客車FCV80我國第一輛燃料電池乘用車——格羅夫2020年，中國燃料電池車輛要達(dá)到1萬輛、加氫站數(shù)量達(dá)到100座，行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到3000億元；2030年，燃料電池車輛保有量要“撞線”200萬，加氫站數(shù)量達(dá)到1000座，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破1萬億元。《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》

提出目標(biāo)：2我國燃料電池產(chǎn)業(yè)總體規(guī)劃（2019）產(chǎn)業(yè)目標(biāo)現(xiàn)狀（2019年）近期目標(biāo)（2020-2025年）中期目標(biāo)（2026-2035年）遠(yuǎn)期目標(biāo)（2035-2050）氫能源比例（%）2.745.910加氫站（座）23200150010000燃料電池車（萬輛）0.25130500固定式電源/電站（座）2001000500020000燃料電池系統(tǒng)（萬套）16150550第七章

燃料電池7.1.6.2日本的燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃2峰值功率工作電壓0.85V電堆功率密度9kW/L最大工作溫度120℃耐久性大于15年續(xù)航里程1000km燃料電池堆成本1000日元/kW日本氫燃料電池汽車Mirai日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)NEDO2040年發(fā)展目標(biāo)：2日本燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃豐田和本田均已推出搭載峰值功率密度3.1kW/L電堆的燃料電池汽車。日本豐田和本田燃料電池堆工作溫度區(qū)間為75~80℃，電堆冷卻液進(jìn)出口溫差在7~15℃。日本豐田Mirai和本田Clarity兩款燃料電池汽車滿載儲氫質(zhì)量都為5kg(70Mpa)，在JC08工況下續(xù)航里程分別為650km和750km。日本NEDO設(shè)定的燃料電池堆成本目標(biāo)值為1000日元/kW，燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)值為2000日元/kW，氫瓶成本目標(biāo)值為10萬日元。發(fā)展現(xiàn)狀峰值功率密度電堆成本續(xù)航里程工作溫度2燃料電池汽車的壽命的影響因素燃料電池壽命電堆壽命質(zhì)子交換膜催化層雙極板氣體擴(kuò)散層燃料電池汽車長時間運(yùn)行后關(guān)鍵材料和部件會發(fā)生降解2燃料電池汽車的壽命的影響因素Pt/C催化劑降解和Nafion降解：通常包含微晶遷移合并機(jī)制、電化學(xué)熟化機(jī)制、Pt融解且在離子導(dǎo)體中再沉積機(jī)制、碳腐蝕機(jī)制等降解機(jī)制。催化層中Nafion和質(zhì)子交換膜組成、結(jié)構(gòu)相似，因此降解機(jī)制和質(zhì)子膜類似。機(jī)械降解：質(zhì)子交換膜工作濕度不斷發(fā)生變化，內(nèi)部產(chǎn)生較大的周期性內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致膜強(qiáng)度下降，甚至形成孔洞，嚴(yán)重降低壽命?；瘜W(xué)降解：電池在怠速和開路狀態(tài)下，內(nèi)部形成大量H2O2，加上一些過渡金屬二價離子雜質(zhì)催化，H2O2會轉(zhuǎn)變成活性很強(qiáng)的基團(tuán)，加速膜的降解。質(zhì)子交換膜催化層2燃料電池汽車的壽命的影響因素變形和腐蝕：石墨裝電堆時不能承受過高的壓力，長時間壓力作用下工作容易變形，甚至破裂，而且石墨在酸堿和強(qiáng)氧化條件下，會被逐漸腐蝕，甚至形成孔洞，影響單電池均一性，降低電池壽命。氧化：采用不銹鋼和鈦為材料的金屬雙極板表面隨著電池的運(yùn)行，會逐漸形成不導(dǎo)電的氧化物膜，使接觸電阻增高，降低電池效率。機(jī)械降解：在機(jī)械應(yīng)力、氣體和水沖蝕等作用下，PTFE脫落降低疏水性影響水氣傳輸性能，同時微孔層孔徑可能發(fā)生變化甚至部分脫落。電化學(xué)降解：高電勢條件下，氣體擴(kuò)散層基質(zhì)中的碳纖維和微孔層中的碳顆粒發(fā)生氧化腐蝕，改變組成和結(jié)構(gòu)，影響性能和降低耐久性。氣體擴(kuò)散層雙極板2豐田Mirai搭載的燃料電池堆棧特點(diǎn)由370片單電池組成的，一共可以輸出114kW的發(fā)電功率首次采用了3Dfine-mesh空氣流場特點(diǎn)這種親水性3D流場通過改善電池排水和氣體擴(kuò)散性能，有效保證了電池平面發(fā)電的均一性，提升了電堆的性能。2幾款主流燃料電池汽車性能對比

車型指標(biāo)豐田Mirai現(xiàn)代IX35通用Equinox日產(chǎn)X-trial奔馳F-Cell本田Clarity車重（kg）185022901800186017181890最高車速（km/h）1751601601501701650-100km/h加速時間（s）9.612.5121411.38.8燃料電池功率（kW）114（2020年新一代升級為128）1009290100103燃料電池體積/重量37L/56kg60L130kg34L/43kg——燃料電池功率密度3.1kW/L（2020年新一代升級為4.4）；2.0kW/kg1.65kW/L0.7kW/kg2.5kW/L—3.1kW/L燃料電池低溫性能（°C）-30-30-30-30-25-30燃料電池鉑用量（g）20403040——燃料電池耐久性（h）>500050005500—>2000—續(xù)航里程（km）650（2020年新一代升級為850）5943205006167507.2堿性燃料電池（AFC）2堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，簡稱AFC），最早由美國航天局開發(fā)并在20世紀(jì)60年代就成功應(yīng)用于美國阿波羅登月宇宙飛船和航天飛機(jī)。阿波羅登月宇宙飛船航天飛機(jī)27.2.1堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4

e-陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-電池反應(yīng)：2H2+

O2

→2H2O結(jié)構(gòu)工作原理35%-45%的KOH或NaOH溶液2堿性燃料電池的類型石棉膜基體型堿性燃料電池自由電解液型堿性燃料電池以吸附了飽和KOH溶液的石棉膜作為電解質(zhì)隔膜氫電極背面的多孔鎳制隔板可儲存電解液，調(diào)節(jié)電解液體積變化7.2.2堿性燃料電池的特點(diǎn)2優(yōu)點(diǎn)技術(shù)成熟，高能量轉(zhuǎn)化效率室溫可快速啟動，迅速達(dá)額定負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長不足CO2會毒害堿性電解質(zhì)，只能用純H2作為燃料電解液有腐蝕性和污染性，濃度需要控制恒定催化劑采用貴金屬Pt，成本高堿性燃料電池27.2.3

堿性燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀A(yù)FCEnergy開發(fā)的新型堿性燃料電池世界第一款燃料電池AIP潛艇近年來，AFCEnergy新開發(fā)的堿性燃料電池體積小，性能高，能夠接受低品位氫燃料來源，有望應(yīng)用于交通領(lǐng)域。國內(nèi)中科院大連化物所在70年代也組裝了kW級堿性燃料電池并成功應(yīng)用。2中溫與低溫堿性燃料電池近年來，研究人員在CO2毒化解決方法和替代貴金屬的催化劑方面取得了較大的進(jìn)展，為低溫堿性燃料電池的交通工具應(yīng)用創(chuàng)造了可能性，但其真正要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有較長的路要走。工作溫度應(yīng)用方向中溫堿性燃料電池約為250℃安全可靠的太空電源低溫堿性燃料電池低于100℃便攜式電源和交通工具動力電源2思考題（1）為什么國內(nèi)的堿性燃料電池近年來發(fā)展緩慢呢？（2）低溫堿性燃料電池未來能作為汽車的動力來源嗎？7.3磷酸型燃料電池（PAFC）27.3.1磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理磷酸燃料電池空氣極電解質(zhì)層燃料極基材催化劑層實(shí)質(zhì)是兩塊涂布有催化劑的多孔碳素板電極黏滯液體磷酸電解質(zhì)硅碳化物隔膜多孔硅碳化物隔膜經(jīng)濃磷酸飽和浸泡后，可以通過內(nèi)部的毛細(xì)管作用來儲存磷酸電解質(zhì)基材催化劑層實(shí)質(zhì)是兩塊涂布有催化劑的多孔碳素板電極結(jié)構(gòu)示意圖2磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作磷酸燃料電池工作原理圖、電堆結(jié)構(gòu)示意圖及電堆陽極反應(yīng)：2H2→4Ｈ++4ｅ-陰極反應(yīng)：O2+4H++4ｅ-→2H2O電池總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O氫原子在燃料極釋放電子成為氫離子氫離子通過電解質(zhì)層在空氣極與氧離子發(fā)生反應(yīng)生成水27.3.2磷酸燃料電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)對雜質(zhì)耐受性較強(qiáng)，不需純氫作燃料構(gòu)造簡單、穩(wěn)定電解質(zhì)揮發(fā)度低合理的啟動時間不足工作溫度偏高，150-200℃能量損耗較大磷酸電解液溫度必須保持在冰點(diǎn)42℃以上采用貴金屬催化劑7.3.3磷酸燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀2國家電堆功率電池性能備注美國kW-MW級20世紀(jì)60年代，世界上最早開始磷酸燃料電池研發(fā)，70年代后期開發(fā)出合適的碳黑和石墨等電池零部件電池性能取得重大突破，在1985～1989年投入到磷酸燃料電池研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)高達(dá)1.22億美元，已建造了1MW，4.5MW和7.5MW的電站。技術(shù)開發(fā)最早，應(yīng)用很成功日本kW-MW級20世紀(jì)70年代，日本NEOD緊隨美國開始磷酸燃料電池研發(fā)，1991年東芝與美國聯(lián)合開發(fā)了11MW的電站，隨后多家公司如大坂煤氣、富士電機(jī)等都參與了磷酸燃料電池的開發(fā)與制造工作，在1981～1990年用于磷酸燃料電池的費(fèi)用也達(dá)到1.15億美元，已建成各種kW到MW級電站。應(yīng)用很成功德國不清楚2006年，大眾開發(fā)出了可在120℃高溫下工作的磷酸燃料電池，此款燃料電池在溫度達(dá)到130℃時效率也不會降低，他們認(rèn)為整個燃料電池系統(tǒng)所需要的部件可削減至1/3。應(yīng)用情況不清楚意大利kW-MW級1995年，意大利米蘭市能源公司、Ansaldo公司、ENEA聯(lián)合設(shè)計(jì)了建設(shè)的以甲烷為燃料的1.3兆瓦的磷酸型燃料電池?zé)犭姀S在米蘭市竣工發(fā)電，這是歐洲建成的第一座1.3MWPAFC電廠。應(yīng)用較成功中國————關(guān)注度不足，市場需求少，行業(yè)發(fā)展緩慢2磷酸燃料電池的應(yīng)用情況據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有100多臺200kW磷酸燃料電池正在北美、日本與歐洲運(yùn)行，最長的已運(yùn)行37000h，實(shí)際應(yīng)用證明磷酸燃料電池是高度可靠的電源。近年來國際上研究磷酸燃料電池的工作也相應(yīng)減少，寄希望于批量生產(chǎn)降低售價。熱電效率僅有40%左右啟動時間長，不適用作移動動力源余熱僅200℃，利用價值低PAFC2磷酸燃料電池存在的問題及解決辦法電池功率密度偏低開發(fā)高活性催化劑，優(yōu)化多孔氣體電極結(jié)構(gòu)，研制超薄的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好的電極基體材料等都將改善電池的輸出性能電池壽命較短，穩(wěn)定性較差研究催化劑Pt微晶聚集長大以及催化劑載體腐蝕問題，開發(fā)保證電池溫度分布均勻的冷卻方式，以及尋找避免電池在低的用電負(fù)荷或空載時出現(xiàn)較高電極電位的方法。電池制造成本偏高在電池性能方面，提高電池功率密度，簡化電池結(jié)構(gòu)都是非常有效的措施。在電池加工方面，則待開發(fā)電池部件的大批量、大型化制造技術(shù)以及氣室分隔板與電極基板組合的技術(shù)2思考題（1）為什么我國不重視磷酸燃料電池的開發(fā)呢？（2）如果我國要開展磷酸燃料電池的研究，應(yīng)該從哪些方便入手？7.4質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）2催化劑質(zhì)子交換膜氣體擴(kuò)散層質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）輕型汽車便攜式電源小型驅(qū)動裝置7.4.1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理雙極板關(guān)鍵材料和部件應(yīng)用領(lǐng)域2質(zhì)子交換膜燃料電池的類型及工作原理HOFCDMFCDEFCDFFC工作原理示意圖各種質(zhì)子交換膜燃料電池2質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成及照片2電堆氫氧電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電膜電極端板雙極板機(jī)械支撐，提供反應(yīng)物質(zhì)和冷卻液的流道分離氧化劑和還原劑，管理產(chǎn)生的水和熱特點(diǎn)：高導(dǎo)電性，小電阻率，高導(dǎo)熱性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，高有效面積，良好的機(jī)械強(qiáng)度，低成本等質(zhì)子交換膜催化劑氣體擴(kuò)散層電解質(zhì)交換膜對質(zhì)子導(dǎo)通，對電子隔離發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵催化媒介物質(zhì)氣體擴(kuò)散，電流的收集，對質(zhì)子交換膜起到物理支撐的作用GDL2輔助系統(tǒng)陰極回路陽極回路冷卻回路空氣回路氫氣回路空壓機(jī)空濾器增濕器為燃料電池反應(yīng)提供空氣中的氧氣為燃料電池反應(yīng)提供氫氣減壓閥氫氣循環(huán)泵使氫氣循環(huán)利用冷卻液（去離子水或乙二醇水溶液）循環(huán)流動，帶走電堆產(chǎn)生熱量水泵散熱器儲水箱控制系統(tǒng)集軟件和硬件為一體，包括燃料電池控制器以及相應(yīng)的控制軟件2以常見氫氧燃料電池為例：陽極催化層中的氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)解離電子氫離子陰極外電路質(zhì)子交換膜氧氣結(jié)合氫離子及電子發(fā)生還原反應(yīng)生成水生成的水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出2電路催化劑質(zhì)子交換膜排氣口陽極反應(yīng)：2H2→4Ｈ++4ｅ-陰極反應(yīng)：O2+4H++4ｅ-→2H2O電池總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O反應(yīng)式如下：27.4.2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可常溫甚至零下溫度運(yùn)行，啟停迅速質(zhì)量或體積比功率高固體電解質(zhì)對其它部件無腐蝕可制成集發(fā)電與水電解一體的可逆再生式電池系統(tǒng)電池成本高對燃料凈化程度要求高只能以熱水方式回收余熱質(zhì)子交換膜性能受水含量和溫度影響大，水熱管理系統(tǒng)復(fù)雜缺點(diǎn)27.4.3質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于美國的雙子星座航天飛行1989年巴拉德公司從美國國防部購買了燃料電池技術(shù)1994年以來，巴拉德公司與多家著名汽車公司合作，開發(fā)出多種質(zhì)子交換膜燃料電池汽車1997年起巴拉德公司與奔馳、福特等公司共同投資建立了質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)公司巴拉德公司建設(shè)了兩個年產(chǎn)20萬臺質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的生產(chǎn)企業(yè)并于2003年推向市場巴拉德公司還與美國、法國的大型供電公司共同投資組建了合資企業(yè)，生產(chǎn)250kW級分散型質(zhì)子交換膜燃料電池電站設(shè)備。1983年，加拿大國防部資助了巴拉德公司進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池研究2中科院大連化物所從1995年開始利用堿性燃料電池技術(shù)積累，全面開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的研究天津電源研究所在70年代曾研究過以聚苯乙烯磺酸膜為電解質(zhì)的質(zhì)子交換膜燃料電池中科院長春應(yīng)化所在90年代初開始質(zhì)子交換膜燃料電池的研究，在Pt/C催化劑制備、表征與解析方面進(jìn)行了廣泛研究清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京理工大學(xué)、石油大學(xué)等均在進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)、催化劑與電極制備工藝研究。我國的質(zhì)子交換膜燃料電池與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跏钦驹谕黄鹋芫€上。2國內(nèi)外開發(fā)的幾種燃料電池汽車的主要性能指標(biāo)質(zhì)子交換膜燃料電池汽車型號電堆功率（kW）最大輸出功率（kW）最高速度（km/h）加速時間（0-100km/h）里程（km）ChaoYue3506512219s230FokusFCV757012815s250Hydrogen3757014015s400Mirai901141759.6s502Nexo951241799.7s6002豐田FCVmirai于2014年12月15日在日本國內(nèi)銷售，其燃料電池功率為114kW，功率密度為3.1kW/L。2016年，上汽大通在北京車展首次推出了FCV80輕客車型，開啟了國產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的商業(yè)化運(yùn)營，規(guī)模約100臺。21.燃料電池中，為什么只有質(zhì)子交換膜燃料電池最適合用來做汽車動力?2.除了質(zhì)子交換膜燃料電池核心電堆外，燃料電池汽車還需要哪些重要部件？3.質(zhì)子交換膜燃料電池將來會取代內(nèi)燃機(jī)嗎？思考題7.5熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）27.5.1熔融碳酸鹽燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池，其電解質(zhì)是熔融態(tài)的碳酸鹽。2陰極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：總反應(yīng)：熔融碳酸鹽燃料電池工作原理圖CO2循環(huán)反應(yīng)式如下：27.5.2熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn)電池工作溫度較高，反應(yīng)速度加快采用非貴重金屬作為催化劑及液體電解質(zhì)燃料純度要求相對較低用鎳(Ni）或不銹鋼作為電池的結(jié)構(gòu)材料，材料容易獲得并且價格便宜高溫型燃料電池，余熱溫度高以Li2CO3及K2CO3混合物電解質(zhì)，在高溫下管理困難，腐蝕和滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重CO2的循環(huán)系統(tǒng)增加了結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：7.5.3熔融碳酸鹽燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀2熔融碳酸鹽燃料電池在建立高效、環(huán)境友好的50~10000kW的分散電站方面具有減少碳排放，燃料利用率高的優(yōu)勢。不同功率的MCFC應(yīng)用50kW：地面通訊和氣象臺站200-500kW：水面艦船、機(jī)車、醫(yī)院、海島和邊防的熱電聯(lián)供1000kW以上：與熱機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，作為區(qū)域性供電站，還可以與市電并網(wǎng)2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外應(yīng)用：美國：國際燃料電池公司、煤氣技術(shù)研究所和能量研究公司，其中能量研究公司具備年產(chǎn)2MW～5MW公用管道型MCFC能力；日本：日立和石川島播磨重工業(yè)，三菱電機(jī)與美國ERC，三洋公司；德國：MTU公司，280kW單組電池；荷蘭：ENC，兩個250kW外重整MCFC；意大利：Ansaldo公司與西班牙合作開發(fā)了100kWMCFC；韓國：59MW電站。國內(nèi)應(yīng)用：中科院大連化學(xué)物理研究所：1993年開始研究。組裝了28cm2，110cm2單電池，燃料利用率為80%時，電池能量轉(zhuǎn)化效率為61%；華能集團(tuán)：2009年開始對MCFC研究，已掌握核心關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)展出20kWMCFC系統(tǒng)，燃料利用率達(dá)到69%，發(fā)電效率達(dá)到51%。7.6固體氧化物燃料電池（MCFC）27.6.1固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成及示意圖應(yīng)用場景：作為固定或移動電源，用于家庭、商業(yè)、交通運(yùn)輸和軍事等不同領(lǐng)域；滿足電網(wǎng)不能覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)(如山區(qū)、草原、海島、軍事設(shè)施、航標(biāo)等)的用電需要以及補(bǔ)充大都市的電力不足；為用戶提供熱水和取暖。2固體氧化物燃料電池工作原理固體氧化物作為電解質(zhì)，在較高溫度下具有傳遞O2-離子的能力，在電池中起傳遞O2-離子和分離空氣、燃料的作用。

反應(yīng)式如下：固體氧化物燃料電池工作原理示意圖陰極：陽極：總反應(yīng)：27.6.2固體氧化物燃料電池的特點(diǎn)不足：電池組裝相對困難，其中由過高溫度和陶瓷材料脆性引起的技術(shù)難題較多。01全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)，避免了使用液態(tài)電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失等問題；02燃料適應(yīng)性廣，可以直接使用純氫和天然氣、城市煤氣、生物質(zhì)氣、液化石油氣、NH3、H2S等氣體作為燃料，還可以用甲醇、乙醇，甚至汽油、柴油等高碳鏈液體作為燃料；03適用范圍廣，既可以用作固定電源，又可以用做小型移動電源，如汽車輔助電源，手提電腦電源，無線通訊手機(jī)電源等；04能量轉(zhuǎn)換率高，直