新能源材料第4-6讲

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1、第四章燃料电池现状与未来4.1概述4.2几种燃料电池的研究现状4.3前景与挑战燃料电池材料4.1概述燃料电池(FC)是一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50%~70%)而与环境友好地转化为电能的装置。其发电原理与化学电源一样，是由电极提供电子转移场所。阳极进行燃料(如氢)的氧化过程，阴极进行氧化剂(如氧等)的还原过程。燃料电池材料4.2.1碱性氢氧电池（AFC）4.2.2磷酸型燃料电池（PAFC）4.2.3质子交换膜型燃料电池（PEMFC）4.2.4熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）4.2.5固体氧化

2、物燃料电池（SOFC）4.2几种燃料电池的研究现状燃料电池材料4.2.1碱性氢氧燃料电池由于碱性氢氧燃料电池(AFC)技术的高度发展，该电池已成功应用于航天飞行中；美国已成功将Bacon型AFC用于阿波罗(Apollo)登月飞行计划；德国西门子公司开发了100kWAFC并在艇上试验，作为不依赖空气的动力源已并获成功；我国早在60年代末就进行了AFC研究，70年代经历了研制FC的高潮，已成功研制两种石棉膜型、晶态排水的AFC；我国在70年代曾组装了10kW、20kW以NH3分解气为燃料的电池组，并进行了性能测试，80年

3、代研制成功千瓦级水下用AFC；美国还开发了再生氢氧燃料电池(RFC)拟作为高效储能电池用于空间站和太空开发，以替代二次化学电源。燃料电池材料磷酸型燃料电池(PAFC)利用天然气重整气体为燃料，空气做氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质，Pt/t为电催化剂，产生的直流电经直交变换以交流形式工给用户。日本东京4500kW的PAFC电厂已经成功运行，PAFC是高度可靠电源，可作为医院、计算机站的不间断电源。由于PAFC热电效率仅有40％左右，利用价值低，启动时间长，不适于作移动动力源，因此，近年来国际上对它的研

4、究工作减少，寄希望于批量生产，降低售价。4.2.2磷酸型燃料电池燃料电池材料质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂。特别适合作移动动力源，是电动汽车和AIP推进潜艇的理想电源之一，也是军民通用的可移动动力源。60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行；1983年，加拿大国防部资助Ballard公司发展PEMFC，至今已取得突破性进展；我国从1995年开始利用AFC技术积累全面开展了PEMFC研究

5、；我国在70年代研究过以聚苯乙烯磺酸膜为电解质PEMFC，90年代初开展了PEMFC跟踪研究，在Pt/C电催化剂制备、表征与解析方面进行了广泛的工作。4.2.3质子交换膜型燃料电池燃料电池材料熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)的工作温度在650～700,以浸有(K、Li)CO3的LiAlO2隔膜为电解质。电催化剂无需使用贵金属，以雷尼镍和氧化镍为主，可用净化煤气或天然气为燃料。美国从事MCFC研究的有国际燃料电池公司(IFC)、煤气技术研究所(IGT)和能量研究公司(ERC),1995年ERC公司在加州建立了2MW试验

6、电厂；1994年，日本分别由日立和石川岛播重工业完成两个100kW、电极面积1平方米的加压外重整MCFC；在西欧，德国MTU宣布在解决MCFC性能衰减和电解质迁移方面取得重大突破；该公司开发的至今世界上最大的280kW单组电池正在运行；我国从1993年开始进行MCFC的研究，其研究领域包括：LiAlO2粉料的制备方法，LiAlO2隔膜的制备、以烧结Ni为电极组装了28cm2、110cm2单池，对单池电性能进行了全面测试。4.2.4熔融碳酸盐型燃料电池燃料电池材料固体氧化物燃料电池(SOFC)是以氧化钇稳定的氧化锆(Y

7、SZ)为固体电解质，以锶掺杂的锰酸镧(LSM)为空气电极，Ni-YSZ为阳极的全固态陶瓷结构。其工作温度达900～1000，易与煤气化和燃气轮机等构成联合循环发电。至今已开发了管式、平板式与瓦楞式等多种结构形式的SOFC。80年代，美国Westinghouse电气公司首先研究管型SOFC；德国从1992年重点研究发展了平板式SOFC，至今功率已超过了10kW，局世界领先地位；丹麦与澳大利亚分别进行了平板式SOFC开发，日本开发的平板式SOFC功率已达千瓦级；我国从1995年开始研究SOFC，先后研究La0.8Sr0.

8、2MnO3/YSZ电极氧还原动力学、氧空位生成动力学；我国还进行了La(Sr)MnO3导电性能的研究。4.2.5固体氧化物燃料电池燃料电池材料4.3前景与挑战我国研制的航天用AFC与美国同类型Shuttle用AFC相比差距还很大，为适应我国宇航事业发展，需改进电催化剂与电极结构，提高电极活性等；RFC是在空间站用的高效储能电池，随着宇航事业和太