Ch1 1. 燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装置，是可以利用氢这种新型能源作燃料的一种清洁发电 装置，已成为继水力发电、火力发电和核能发电之后的第四代主要发电技术。 2. 产业化过程将会经历三个阶段，即注重技术水平的成果阶段、注重实用化的产品阶段和注重销售价格生产成本 的商品化阶段。 3燃料电池(Fuel Cell)的定义：是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、 低污染、无噪声的发电装置。 燃料电池与一般传统电池(battery) 的相同点：都是将活性物质的化学能转化为电能 的装置，都属于电化学动力源(electrochemical power source，electrochemical cell) 不同点：燃料电池是能量转换器，非能量储存器；一般电池是能量储存器 4. 1838 年 C.FSchonbein 发现燃料电池原理 5. 1993 年重要里程碑：加拿大巴拉德动力系统(Ballard power system)公司推出全世界第一辆以质子交换膜燃料电池 (proton exchange membrane fuel cell， PEMFC)为动力的电动汽车。 6. 燃料电池发电是直接通过电化学反应将燃料的化学能转变成电能，不受卡诺循环的限制，转化过程的步骤少、效率高，发电过程中没有燃烧、不冒烟，不会产生污染没有高速转动部件，不会产生噪声。 7. 按照燃料的来源，燃料电池可以分成类：一类是直接式燃料电池，即燃料用氢气；另一类是间接式燃料电池。 8. 由于大部分的燃料为有机化合物且为气体，这就要求电极具有催化剂的特性(也就是“电催化”作用)，并且为多孔 质材料，以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面，促进电子授受反应的进行。发生电子授受反应的气、液、 固三相接触界面称为三相区(Three Phase Zone)。 9. 气体扩散电极的研究直接关系到整个燃料电池的发展，是燃料电池研究的重要课题之一。 10. 燃料电池的特点 燃料电池的特点 (1)效率高， (2)噪声低，(3)占地面积小、建造时间短，(4)污染小，(5)所用燃料广泛，(6)用途广 11.燃料电池的种类 燃料电池的种类：（1） 低温 碱性燃料电池(Alkaline fuel cell， AFC) 质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) （2）中温 磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell，PAFC) (3)高温 熔融碳酸燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC) 固态氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC) 12.对于商业化的燃料电池，按照开发时间的顺序一般将 PAFC 称为第一代燃料电池，MCFC 称为第二代燃料电池，而将 SOFC 称为第三代燃料电池。AFC 主要用于太空飞行，PEMFC 主要用于电动车(如电动汽车和电动摩托车)， PAFC、MCFC 和 SOFC 则主要用于静置式发电站。 13.碱性燃料电池(AFC)： 以石棉网作为电解质的载体，氢氧化钾(KOH)溶液为电解质，工作温度在 70200C 之间。 高温(约 200C)时采用高浓度的氢化钾(85) 电解质，在较低温度(100MW)。 18. 构成燃料电池的基本元件必须包括以下三种：电极(electrode)、电解质隔膜(electrolyte membrane)和集电器(current collector) 电极是燃料氧化和氧化剂还原的电化学反应发生的场所，电极可以分成阴极(cathode)与阳极(anode) 一般为多孔结构，厚度约在 200500m 之间 高温燃料电池的电极可以由触媒材料制作而成，例如 SOFC 的 YSZ掺入三氧化二钇的氧化铬以及 MCFC 的氧化镍电极；低温燃料电池基本上是由气体扩散层支撑一层薄薄的触媒材 料构成， 例如 PAFC 与 PEMFC 的铂电极。 电极性能好坏的关键是触媒的性能、 电极的材料与电极的制作工艺等。 19. 电解质隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂并同时传导离子。燃料电池所采用的电解质隔膜可以分为两类，一类是 先用绝缘材料制成多孔隔膜，例如石棉(asbestos)膜、碳化硅(SiC)膜和铝酸锂(LiAlO3 )膜等，再将电解液如氢氧化钾、 磷酸和熔融的锂钾碳酸盐等，浸入多孔隔膜，借用毛细管力附着在隔膜孔内，其导电离子为氢氧根离子、氢离子或碳酸根离子； 另一种电解质隔膜为固态离子交换膜，例如质子交换膜燃料电池中采用的全氟磺酸树脂膜以及在 固态氧化物燃料电池中应用的掺入氧化钇的氧化锆膜。 20. 集电器也称作双极板(bipolar plate)，它具有收集电流、疏导反应气体以及分隔氧化剂与还原剂的作用； 21. 电催化是加速电化学反应中电荷转移的一种催化作用， 一般发生在电极与电解质界面上。 电催化的反应速度与触媒的活性、电荷双层(charge double layer)内电场、电解质溶液的本性有关。 电双层内的高电场强度使反应所需的活化能 (activation energy)大幅度下降， 电催化反应可在远比非电催化反应低得多的温度(如室温)下进行 对触媒的要求：要对特定的电化学反应有良好的催化活性、高选择性；能够在一定的 电位范围内耐电解质的腐蚀；必须具有良好的电子导电性。 22. 燃料电池的实际工作电流密度与减少极化，必须增加参与反应电极的表面积（高出 35 个数量级） 多孔气体扩散电极的液相质传边界层的厚度从平板电极的 100m 压缩到 110m。 23. 气体扩散电极的两类结构：多层结构的粘结型电极(bind electrode)、单层烧结型电极(sintered electrode) 单层烧结型气体扩散电极： 直接将金属触媒与电解质的混合粉末以烧结方式制作成多孔结构的气体扩散电极， 例如 MCFC 与 SOFC 多层粘结型气体扩散电极：在高分散型触媒内添加粘结剂(如聚四氟乙烯)后粘贴到气 体扩散层或者质子交换膜上而形成多层结构电极，如 PEMFC、PAFC、AFC 。 24. 电极反应要能够连续而稳定地进行，电极必须同时能够将上述反应中同时有的氧气、水、电子以及质子等四种不 同形态与物性的反应物或产生物物质输送到或离开反应点电极触媒层必须同时具备四种通道：电子传递通道、气体扩散通道、质子传递通道、水传递通道 25 电极的性能不单单依赖于触媒的电化学活性， 还必须考虑电极内各种组成的配比， 电极的孔分布与孔隙率(porosity) 以及电极的导电特性等。简而言之，电极的性能与触媒的电催化活性、电极的制作技术密切相关。 26. 电解质的功能：传导离子与分隔燃料气体与氧化剂。 从形态来看，燃料电池的电解质可以分成液态电 解质 (AFC、PAFC、MCFC) 与固态电解质(PEMFC、SOFC) 固态电解质属于无孔隔膜结构，可以直接制作成 薄膜来阻隔气体与传导离子； 液态电解质必须借于毛细管力吸附在电解质载体的多孔隔膜内来进行工作 电解质载体 则必须能承受在电池工作条件下的电解质腐蚀（以保持其结构的稳固，确保电池长期稳定的工作） ，是电子绝缘材料 （避免电池内漏电而降低电池的效率） 。 27. 电解质载体所制作的多孔隔膜的孔径必须小于多孔电极的孔径 原因： 要确保在电池工作时隔膜孔内始终饱浸电 解质，这样，当工作条件改变所引起电解液体积变化，或者电池运行中电解液流失导致电解液体积减少时，隔膜中不 会出现无电解质的空孔。一旦隔膜孔内出现未被电解液填满的空孔，将导致氧化剂与还原剂气体窜透 (cross-over)隔 膜而相互混合，进而降低电池的电流效率。 28 隔膜的微孔内所饱浸的电解液必须能够承受一定的压力差 原因： 燃料电池在运行时， 由于负载变化， 隔膜 两侧气体压力经常会出现不均匀的现象而造成一定的电压差。 29.希望隔膜比较薄：隔膜越薄则欧姆电阻越小，然而由于微孔隔膜需借助浸入的电解液导电，因此也不宜太薄，通常为 200500m 30固态电解质无需电解质载体，直接将具有离子导电能力的电解质材料制作成无孔薄膜即可。 例如，质子交换隔 膜燃料电池所采用的全氟磺酸型树脂以及固态氧化物燃料电池所采用的掺入三氧化二钇的氧化锆(YSZ)等。 31. 对燃料电池双极板材料的要求 双极板有分隔氧化剂与还原剂的作用，要求具有阻 隔气体的功能，不能采用多 孔透气材料 双极板必须重量轻，以提高电池组的能量密度与功 率密度 双极板强度必须满足要求 双极板具有收集电流的功能，必须是电的良导体。 双极板必须在燃料电池工作环境下，具有抗腐蚀能力。 双极板具有输 送反应气体的功用，两侧加工或置有 使反应气体均匀分布的流动场通道(流场)，以确保 反应气体均匀分布在整个电 极。好加工 双极板必须是热的良导体，以利于反应热的排散并 确保电池组的温度均匀。 32. 目前双极板材料主要是无孔石墨板、复合碳板以及表面改性的金属板等。 （1） 无孔石墨材料的优点：导电性及 耐腐蚀性好；缺点：无孔石墨的制造过程复杂耗工费时，而且无孔石墨板质地硬脆不易加工，流场制作成本高昂；厚度有其限制，一般为 3mm 左右，难以进一步降低，导致燃料电池的体积功率密度无法提高。 （2） 金属双极板的优点： 厚度较薄(0.10.5mm)，可以采用冲压成型等机械化生产方法加工孔道与流场，有助于降低成本与提高体积功率。难 点：必须解决腐蚀问题。 （3）复合碳板是将高分子树脂和石墨粉混合搅拌而成复合材料，再经由压模(compression molding)压缩成型而制成双极板。这种制作方式可以将流场形状直接制作在模具上，如此可以省去刻化流场程序而大 量降低双极板的制作成本与时间，非常适合大量生产。压铸成型的无孔复合碳板由于加入不导电聚合物，因此双极板的内电阻较大而影响电池的性能。此外，压铸成型的无孔石墨板的机械强度仍然有待加强。 33. 以氢氧燃料电池为例，其单体电池的工作电压大约在 0.60.9V 之间。为了满足高电压的要求，必须将多个单体 电池串联起来，以提高电池组的输出电压，通常将多个单体电池按照压滤机(filter press)方式层叠起来，构成一个燃料电池组。 34. 电池组的设计 首先根据使用者需求和电池性能来决定单体电池的工作(电极)面积和串联数目（工作面积决 定工作电流大小，串联数目决定了工作电压高低） 电池组的设计还必须考虑反应气体在电池组的各 个单体电池间 的分配问题（气体分配问题） ，最 佳的气体分布状态是反应气体平均地流入与流出 每一个单体电池 重要设计原 则之一：各单体电池双极板流场结构 必须一致，以确保在相同组装条件下流场阻力相 等； 其次，由电池组组装形成的单体电池之间的共通 管道阻力必须小于单体电池的流场阻力。 为了降低流场阻力而加大共通管道面积时， 往往 会减少电池的有效利用面积， 而造成电池体积功 率密度与质量功率密度的下降。 因此， 共通管道的大小必须在流场阻力与电池面 积利用率之间取得一个平衡点。 35.电池组的组装 密封是组装燃料电池组的关键技术之一， 目的是确保阴极与阳极两侧的反应气体不会互窜以及外 漏。 燃料电池组密封所遇到的问题主要是不当密封与材料老化 不当的密封设计将使得双极板与电极之间的接触电阻增加而降低电池组性能。 电池组运行过程中会因密封件的老化变形而造成反应气体的互窜或外漏。 由于 在电池运行中密封件的不断变形，电池组需要附加自紧装置或定期人工紧固电池，以确保电池组长期和稳定地运行。 一般来说，