磷酸燃料電池課件

1、LOGO燃料電池燃料電池(PAFC)中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 氫能被提上人類(lèi)未來(lái)能源的議程是大勢(shì)所趨。眾氫能被提上人類(lèi)未來(lái)能源的議程是大勢(shì)所趨。眾所周知，當(dāng)今世界，為了解決能源短缺、環(huán)境污染日所周知，當(dāng)今世界，為了解決能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題，潔凈的新能源和可再益嚴(yán)重和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題，潔凈的新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)已是迫在眉睫。對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，交通運(yùn)輸生能源的開(kāi)發(fā)已是迫在眉睫。對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，交通運(yùn)輸?shù)哪芎乃急戎赜鷣?lái)愈大，與此同時(shí)，汽車(chē)尾氣污染的能耗所占比重愈來(lái)愈大，與此同時(shí)，汽車(chē)尾氣污染已經(jīng)成為大氣污染特別是城市大氣污

2、染的最重要因素已經(jīng)成為大氣污染特別是城市大氣污染的最重要因素。 中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 由此可以看出，尋找新的潔凈能源無(wú)論對(duì)整個(gè)世界還是對(duì)由此可以看出，尋找新的潔凈能源無(wú)論對(duì)整個(gè)世界還是對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展都有著特別重要的意義。我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展都有著特別重要的意義。 氫能作為一種潔凈的可再生能源，同時(shí)又具有可儲(chǔ)可輸?shù)奶貧淠茏鳛橐环N潔凈的可再生能源，同時(shí)又具有可儲(chǔ)可輸?shù)奶攸c(diǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)上看，它的發(fā)展可能帶來(lái)能源結(jié)構(gòu)的重大改變，而點(diǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)上看，它的發(fā)展可能帶來(lái)能源結(jié)構(gòu)的重大改變，而在目前它是一種理想的低污染或零污染的車(chē)用能源，國(guó)際上公在目前它是一

3、種理想的低污染或零污染的車(chē)用能源，國(guó)際上公認(rèn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)氫燃料汽車(chē)將是解決城市大氣污染的最重要途認(rèn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)氫燃料汽車(chē)將是解決城市大氣污染的最重要途徑之一。因此，氫能作為解決當(dāng)前人類(lèi)所面臨困境的新能源而徑之一。因此，氫能作為解決當(dāng)前人類(lèi)所面臨困境的新能源而成為各國(guó)大力研究的對(duì)象便是情理之中的事了。成為各國(guó)大力研究的對(duì)象便是情理之中的事了。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院氫能開(kāi)發(fā)，大勢(shì)所趨氫能開(kāi)發(fā)，大勢(shì)所趨X 氫是自然界中最普遍的元素，資源無(wú)窮無(wú)氫是自然界中最普遍的元素，資源無(wú)窮無(wú)盡盡不存在枯竭問(wèn)題不存在枯竭問(wèn)題X氫的熱值高，燃燒產(chǎn)物是水氫的熱值高

4、，燃燒產(chǎn)物是水零排放，無(wú)污染零排放，無(wú)污染 ，可循，可循環(huán)利用環(huán)利用X氫能的利用途徑多氫能的利用途徑多燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電X氫的儲(chǔ)運(yùn)方式多氫的儲(chǔ)運(yùn)方式多氣體、液體、固體或化合物氣體、液體、固體或化合物中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院氫氣利用與燃料電池氫氣利用與燃料電池v氫像電一樣可以從任何能源中得到，包括可再氫像電一樣可以從任何能源中得到，包括可再生的能源；氫可以由電獲得并以生的能源；氫可以由電獲得并以相對(duì)高的效率相對(duì)高的效率轉(zhuǎn)換成電，一些由太陽(yáng)能直接得到氫的技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成電，一些由太陽(yáng)能直接得到氫的技術(shù)已經(jīng)成功；獲取氫的成功；

5、獲取氫的原材料是水原材料是水，資源豐富，由于，資源豐富，由于氫使用后的產(chǎn)物是純水或水蒸氣，因此氫是氫使用后的產(chǎn)物是純水或水蒸氣，因此氫是完全完全可再生的可再生的燃料；氫可以以氣態(tài)（便于大規(guī)模儲(chǔ)燃料；氫可以以氣態(tài)（便于大規(guī)模儲(chǔ)存）、液態(tài)（便于航空航天應(yīng)用）或以金屬氫化存）、液態(tài)（便于航空航天應(yīng)用）或以金屬氫化物（便于機(jī)動(dòng)車(chē)和別的相對(duì)小的規(guī)模儲(chǔ)量需求）物（便于機(jī)動(dòng)車(chē)和別的相對(duì)小的規(guī)模儲(chǔ)量需求）形式形式儲(chǔ)存儲(chǔ)存；氫能夠借助于管道和鋼瓶進(jìn)行長(zhǎng)距；氫能夠借助于管道和鋼瓶進(jìn)行長(zhǎng)距離離運(yùn)輸運(yùn)輸（大多數(shù)情況下比電更經(jīng)濟(jì)和有效）；（大多數(shù)情況下比電更經(jīng)濟(jì)和有效）；氫可通過(guò)氫可通過(guò)催化燃燒、電化學(xué)轉(zhuǎn)換和氫化物催化

6、燃燒、電化學(xué)轉(zhuǎn)換和氫化物，比任，比任何其他燃料有更多的方法和更高的效率轉(zhuǎn)換成為何其他燃料有更多的方法和更高的效率轉(zhuǎn)換成為其他形式的能源；氫是對(duì)其他形式的能源；氫是對(duì)環(huán)境無(wú)害環(huán)境無(wú)害的能源。的能源。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 氫能氫能“喝喝”氫的汽車(chē)氫的汽車(chē)中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 燃料電池的概念是由蒙德燃料電池的概念是由蒙德(Mond)

7、和萊格和萊格(Langer)于于1889年年首先提出首先提出來(lái)的。就在這時(shí)內(nèi)燃機(jī)問(wèn)世了，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明使人們對(duì)燃料電池的興趣來(lái)的。就在這時(shí)內(nèi)燃機(jī)問(wèn)世了，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明使人們對(duì)燃料電池的興趣推遲了推遲了60年。年。 1959年年培根研制成功氫氧燃料電池培根研制成功氫氧燃料電池，他對(duì)燃料電池的研究工作，奠，他對(duì)燃料電池的研究工作，奠定了燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。定了燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。20世紀(jì)世紀(jì)60年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)對(duì)培根氫氧燃料電池進(jìn)行了改進(jìn)，并分別于對(duì)培根氫氧燃料電池進(jìn)行了改進(jìn)，并分別于1965年和年和1966年成功的將其年成功的將其應(yīng)用于應(yīng)用于雙子星座和阿波

8、羅飛船雙子星座和阿波羅飛船上，為其提供電力。上，為其提供電力。20世紀(jì)世紀(jì)70年代，因中東戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致兩次世界性石油危機(jī)，年代，因中東戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致兩次世界性石油危機(jī)，80年代美國(guó)、年代美國(guó)、加拿大、日本和歐洲等的世界發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量人力和財(cái)力研究開(kāi)發(fā)燃加拿大、日本和歐洲等的世界發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量人力和財(cái)力研究開(kāi)發(fā)燃料電池，在料電池，在90年代燃料電池年代燃料電池實(shí)現(xiàn)燃料技術(shù)上的真正突破，佳能、松下、實(shí)現(xiàn)燃料技術(shù)上的真正突破，佳能、松下、三星、東芝都發(fā)布了自己的產(chǎn)品，燃料電池進(jìn)入了應(yīng)用階段。三星、東芝都發(fā)布了自己的產(chǎn)品，燃料電池進(jìn)入了應(yīng)用階段。燃料電池燃料電池中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工

9、程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院由于它是把由于它是把燃料通過(guò)化燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)閷W(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵鲭娔茌敵?，所以被稱(chēng)為，所以被稱(chēng)為燃料電池。燃料電池。它是它是利用氫利用氫和氧生成水和氧生成水的過(guò)程來(lái)產(chǎn)的過(guò)程來(lái)產(chǎn)生電力的一種裝置。生電力的一種裝置。 燃料電池：燃料電池：被稱(chēng)為被稱(chēng)為連續(xù)電池連續(xù)電池，它在等溫條件下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑，它在等溫條件下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。燃料電池在反?yīng)過(guò)程中不涉及燃燒，能量交換效率不受中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。燃料電池在反?yīng)過(guò)程中不涉及燃燒，能量交換效率不受卡諾循環(huán)的限制?？ㄖZ循環(huán)的限制。工作原理工作原理: 通過(guò)物質(zhì)發(fā)

10、生化學(xué)反應(yīng)時(shí)連續(xù)地向其供給通過(guò)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)連續(xù)地向其供給活物質(zhì)活物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì)起反應(yīng)的物質(zhì))-燃料和氧化劑燃料和氧化劑, 促使物質(zhì)發(fā)促使物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院具體地說(shuō)，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的具體地說(shuō)，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。解質(zhì)板所組成。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料工作時(shí)向負(fù)極供給燃料(氫氫H2)，向正極供給氧化劑，向正極供給氧化劑(

11、空空氣氣O2)。氫在負(fù)極分解成正離氫在負(fù)極分解成正離子子H+和電子和電子e-。氫離子進(jìn)入氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在就接在外部電路中。在正極正極上上，空氣中的氧同電解液中，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過(guò)程。解反應(yīng)的逆過(guò)程。燃料電池的用途燃料電池的用途: : 電動(dòng)車(chē)交通工具（動(dòng)力車(chē)及軍電動(dòng)車(chē)交通工具（動(dòng)力車(chē)及軍艦等）艦等）, ,便攜式電源、發(fā)電廠及工作電站等便攜式電源、發(fā)電廠及工作電站等中南大學(xué)冶金科學(xué)

12、與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院燃料電池的應(yīng)用燃料電池的應(yīng)用1、軍事上的應(yīng)用v 軍事應(yīng)用應(yīng)該是燃料電池最主要，也是最適合的市場(chǎng)軍事應(yīng)用應(yīng)該是燃料電池最主要，也是最適合的市場(chǎng)。高效，多面性，。高效，多面性，使用時(shí)間長(zhǎng)，以及寧?kù)o的工作，這些特點(diǎn)極適合于軍事工作對(duì)電力的使用時(shí)間長(zhǎng)，以及寧?kù)o的工作，這些特點(diǎn)極適合于軍事工作對(duì)電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數(shù)軍事裝置，從戰(zhàn)場(chǎng)上的移需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數(shù)軍事裝置，從戰(zhàn)場(chǎng)上的移動(dòng)手提裝備到海陸運(yùn)輸提供動(dòng)力。動(dòng)手提裝備到海陸運(yùn)輸提供動(dòng)力。v 在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其在

13、軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長(zhǎng)的使用時(shí)間增長(zhǎng)的使用時(shí)間就意味著在戰(zhàn)場(chǎng)上勿需麻煩的備品供應(yīng)。此外，對(duì)于就意味著在戰(zhàn)場(chǎng)上勿需麻煩的備品供應(yīng)。此外，對(duì)于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。v 同樣，燃料電池的運(yùn)輸效能能極大地減少活動(dòng)過(guò)程中所需的燃料用量，同樣，燃料電池的運(yùn)輸效能能極大地減少活動(dòng)過(guò)程中所需的燃料用量，在進(jìn)行下一次加油之前，車(chē)輛可以行駛得更遠(yuǎn)，或在遙遠(yuǎn)的地區(qū)活動(dòng)在進(jìn)行下一次加油之前，車(chē)輛可以行駛得更遠(yuǎn)，或在遙遠(yuǎn)的地區(qū)活動(dòng)更長(zhǎng)的時(shí)間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車(chē)輛、人員和裝備的數(shù)量便可以更長(zhǎng)的時(shí)間。這樣，戰(zhàn)地所需的支

14、持車(chē)輛、人員和裝備的數(shù)量便可以顯著的減少。自顯著的減少。自20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)海軍就使用燃料電池為其年代以來(lái)，美國(guó)海軍就使用燃料電池為其深海探索的深海探索的船只和無(wú)人潛艇船只和無(wú)人潛艇提供動(dòng)力。提供動(dòng)力。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院2、移動(dòng)裝置上的應(yīng)用v 伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動(dòng)電器的主要能伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動(dòng)電器的主要能源。源。微型燃料電池微型燃料電池因其具有使用壽命長(zhǎng)，重量輕和充電方便等優(yōu)點(diǎn)，因其具有使用壽命長(zhǎng)，重量輕和充電方便等優(yōu)點(diǎn)，比常規(guī)電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。比常規(guī)電池具有

15、得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。v 如果要使燃料電池能在膝上型電腦，移動(dòng)電話(huà)和攝錄影機(jī)等設(shè)備中應(yīng)如果要使燃料電池能在膝上型電腦，移動(dòng)電話(huà)和攝錄影機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用，其工作溫度，燃料的可用性，以及快速激活將成為人們考慮的主用，其工作溫度，燃料的可用性，以及快速激活將成為人們考慮的主要參數(shù)，目前大多數(shù)研究工作均集中在對(duì)要參數(shù)，目前大多數(shù)研究工作均集中在對(duì)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池的改進(jìn)。正如其名稱(chēng)所示，這些燃料電池以直接提的改進(jìn)。正如其名稱(chēng)所示，這些燃料電池以直接提供的甲醇供的甲醇-水混合物為基礎(chǔ)工作，不需要預(yù)先重整。水混合物為基礎(chǔ)工作，不需要預(yù)先重整。v 使用甲

16、醇，直接甲醇燃料電池要比固體電池具有極大的優(yōu)越性。其充使用甲醇，直接甲醇燃料電池要比固體電池具有極大的優(yōu)越性。其充電僅僅涉及重新添加液體燃料，不需要長(zhǎng)時(shí)間地將電源插頭插在外部電僅僅涉及重新添加液體燃料，不需要長(zhǎng)時(shí)間地將電源插頭插在外部的供電電源上。當(dāng)前，這種燃料電池的缺點(diǎn)是用來(lái)在低溫下生成氫所的供電電源上。當(dāng)前，這種燃料電池的缺點(diǎn)是用來(lái)在低溫下生成氫所需的需的白金催化劑白金催化劑的成本比較昂貴，其電力密度較低。如果這二個(gè)問(wèn)題的成本比較昂貴，其電力密度較低。如果這二個(gè)問(wèn)題能夠解決，應(yīng)該說(shuō)沒(méi)有什麼問(wèn)題能阻擋它們的廣泛應(yīng)用了。目前，能夠解決，應(yīng)該說(shuō)沒(méi)有什麼問(wèn)題能阻擋它們的廣泛應(yīng)用了。目前，美美國(guó)正在

17、試驗(yàn)以直接甲醇燃料電池為動(dòng)力的移動(dòng)電話(huà)，而德國(guó)則在實(shí)驗(yàn)國(guó)正在試驗(yàn)以直接甲醇燃料電池為動(dòng)力的移動(dòng)電話(huà)，而德國(guó)則在實(shí)驗(yàn)以這種能源為動(dòng)力的膝上型電腦。以這種能源為動(dòng)力的膝上型電腦。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3、居民家庭的應(yīng)用v 對(duì)于固定應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)燃料電池的技術(shù)困難就簡(jiǎn)化得多了。盡管許多對(duì)于固定應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)燃料電池的技術(shù)困難就簡(jiǎn)化得多了。盡管許多燃料電池能生產(chǎn)燃料電池能生產(chǎn)50 kW的電能，但絕大部分商業(yè)化的燃料電池目前都是的電能，但絕大部分商業(yè)化的燃料電池目前都是用于固定的。現(xiàn)在，許多跡象表明，燃料電池也可用語(yǔ)人們稱(chēng)做的居民用于固定的?，F(xiàn)在，

18、許多跡象表明，燃料電池也可用語(yǔ)人們稱(chēng)做的居民應(yīng)用（大都小于應(yīng)用（大都小于50 kW）。）。v 低溫質(zhì)子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池低溫質(zhì)子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池幾乎可以滿(mǎn)足私人居戶(hù)和小型幾乎可以滿(mǎn)足私人居戶(hù)和小型企業(yè)的所有熱電需求。目前，這些燃料電池還不能供小型的應(yīng)用，美國(guó)，企業(yè)的所有熱電需求。目前，這些燃料電池還不能供小型的應(yīng)用，美國(guó)，日本和德國(guó)僅有少量的家庭用質(zhì)子交換膜燃料電池提供能源。質(zhì)子交換日本和德國(guó)僅有少量的家庭用質(zhì)子交換膜燃料電池提供能源。質(zhì)子交換膜燃料電池的能源密度比磷酸燃料電池大，然而后者的效率比前者高，膜燃料電池的能源密度比磷酸燃料電池大，然而后者的效率比前者高，且目前

19、的生產(chǎn)成本也比前者便宜。這些燃料電池應(yīng)該能夠?yàn)閱蝹€(gè)私人居且目前的生產(chǎn)成本也比前者便宜。這些燃料電池應(yīng)該能夠?yàn)閱蝹€(gè)私人居戶(hù)或幾家居戶(hù)提供能源，通過(guò)設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足居民對(duì)能源的所有要求，或戶(hù)或幾家居戶(hù)提供能源，通過(guò)設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足居民對(duì)能源的所有要求，或者是他們的基本負(fù)載，高峰時(shí)的需求由電力網(wǎng)提供。者是他們的基本負(fù)載，高峰時(shí)的需求由電力網(wǎng)提供。v 為了有利于該技術(shù)的應(yīng)用，可以用天然氣銷(xiāo)售網(wǎng)作為氫燃料源。當(dāng)前，為了有利于該技術(shù)的應(yīng)用，可以用天然氣銷(xiāo)售網(wǎng)作為氫燃料源。當(dāng)前，許多生產(chǎn)商預(yù)測(cè)在不久的將來(lái)便會(huì)出現(xiàn)其它燃料源泉，這有助于進(jìn)一步許多生產(chǎn)商預(yù)測(cè)在不久的將來(lái)便會(huì)出現(xiàn)其它燃料源泉，這有助于進(jìn)一步降低排放，加速

20、燃料電池進(jìn)入新的理想市場(chǎng)。新近進(jìn)入固定燃料電池市降低排放，加速燃料電池進(jìn)入新的理想市場(chǎng)。新近進(jìn)入固定燃料電池市場(chǎng)的廠家是汽車(chē)大亨場(chǎng)的廠家是汽車(chē)大亨General Motors，她于，她于2001年年8月成功地開(kāi)發(fā)月成功地開(kāi)發(fā)了一種產(chǎn)品。了一種產(chǎn)品。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院4、空間領(lǐng)域的應(yīng)用v 在在20世紀(jì)世紀(jì)50年代后期和年代后期和60年代初期，美國(guó)政府為了替其年代初期，美國(guó)政府為了替其載人航天飛行載人航天飛行尋找安尋找安全可靠的能源，對(duì)燃料電池的研究給于了極大的關(guān)心和資助，使燃料電池取得全可靠的能源，對(duì)燃料電池的研究給于了極大的關(guān)心和資助

21、，使燃料電池取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。了長(zhǎng)足的進(jìn)步。v 重量輕，供電供熱可靠，噪聲輕，無(wú)震動(dòng)，并能生產(chǎn)飲用水重量輕，供電供熱可靠，噪聲輕，無(wú)震動(dòng)，并能生產(chǎn)飲用水，所有這些優(yōu)點(diǎn)均，所有這些優(yōu)點(diǎn)均是其它能源不可比擬的。是其它能源不可比擬的。v General Electric生產(chǎn)的生產(chǎn)的Grubb-Niedrach燃料電池是燃料電池是NASA用來(lái)為其用來(lái)為其Gemini航天項(xiàng)目提供動(dòng)力的第一個(gè)燃料電池，也是第一次商業(yè)化使用燃料電航天項(xiàng)目提供動(dòng)力的第一個(gè)燃料電池，也是第一次商業(yè)化使用燃料電池。池。v 從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代起，飛機(jī)制造商年代起，飛機(jī)制造商Pratt & Whitney贏得了為贏得了

22、為阿波羅項(xiàng)目阿波羅項(xiàng)目提提供燃料電池的合同。供燃料電池的合同。Pratt & Whitney生產(chǎn)的燃料電池是基于對(duì)生產(chǎn)的燃料電池是基于對(duì)Bacon專(zhuān)利專(zhuān)利的堿性燃料電池的改進(jìn)，這種低溫燃料電池是最有效的燃料電池。在阿波羅飛的堿性燃料電池的改進(jìn)，這種低溫燃料電池是最有效的燃料電池。在阿波羅飛船中，三組電池可產(chǎn)生船中，三組電池可產(chǎn)生1.5 kW或或2.2 kW電力，并行工作，可供飛船短期飛電力，并行工作，可供飛船短期飛行。每組電池重約行。每組電池重約114 kg，裝填有低溫氫和氧。在，裝填有低溫氫和氧。在18次飛行中，這種電池共次飛行中，這種電池共工作工作10，000小時(shí)，未發(fā)生一次飛行故

23、障。小時(shí)，未發(fā)生一次飛行故障。v 在在20世紀(jì)世紀(jì)80年代航天飛機(jī)開(kāi)始飛行時(shí)，年代航天飛機(jī)開(kāi)始飛行時(shí)，Pratt & Whitney的姊妹公司國(guó)際的姊妹公司國(guó)際燃料電池公司繼續(xù)為燃料電池公司繼續(xù)為NASA提供提供航天飛機(jī)使用的堿性燃料電池航天飛機(jī)使用的堿性燃料電池。飛船上所有的。飛船上所有的電力需求由電力需求由3組組12 kW的燃料電池存儲(chǔ)器提供，勿需備用電池。國(guó)際燃料電池的燃料電池存儲(chǔ)器提供，勿需備用電池。國(guó)際燃料電池公司技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使每個(gè)飛船上使用的燃料電池存儲(chǔ)器能提供約等于阿波公司技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使每個(gè)飛船上使用的燃料電池存儲(chǔ)器能提供約等于阿波羅飛船上同體積的燃料電池十倍的電

24、力。以低溫氫和氧為燃料，這種電池的效羅飛船上同體積的燃料電池十倍的電力。以低溫氫和氧為燃料，這種電池的效率為率為70%左右，在截至現(xiàn)在的左右，在截至現(xiàn)在的100多次飛行中，這種電池共工作了多次飛行中，這種電池共工作了80，000多個(gè)小時(shí)。多個(gè)小時(shí)。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院5、固定的應(yīng)用v 目前，燃料電池開(kāi)發(fā)得最完善的市場(chǎng)要數(shù)目前，燃料電池開(kāi)發(fā)得最完善的市場(chǎng)要數(shù)熱電的固定提供源市場(chǎng)熱電的固定提供源市場(chǎng)。與傳。與傳統(tǒng)的礦物燃料相比，燃料電池的高效和低排放量使其對(duì)用戶(hù)具有極大的統(tǒng)的礦物燃料相比，燃料電池的高效和低排放量使其對(duì)用戶(hù)具有極大的吸引力。

25、此外，燃料電池技術(shù)的獨(dú)立性對(duì)于那些國(guó)家電網(wǎng)不能覆蓋，或吸引力。此外，燃料電池技術(shù)的獨(dú)立性對(duì)于那些國(guó)家電網(wǎng)不能覆蓋，或國(guó)家電網(wǎng)不夠穩(wěn)定而需要備用電力設(shè)備的地區(qū)而言，這種能源具有特殊國(guó)家電網(wǎng)不夠穩(wěn)定而需要備用電力設(shè)備的地區(qū)而言，這種能源具有特殊的意義。鑒于這種電池的工作溫度可低達(dá)的意義。鑒于這種電池的工作溫度可低達(dá)80，它們可安裝在私人家，它們可安裝在私人家庭，小型的商業(yè)活動(dòng)場(chǎng)所，甚至滿(mǎn)足大型企業(yè)活動(dòng)的所有能源需求。庭，小型的商業(yè)活動(dòng)場(chǎng)所，甚至滿(mǎn)足大型企業(yè)活動(dòng)的所有能源需求。v 截至目前為止，可以說(shuō)現(xiàn)在的燃料電池生產(chǎn)商的注意力均集中于非居民截至目前為止，可以說(shuō)現(xiàn)在的燃料電池生產(chǎn)商的注意力均集中于非

26、居民的應(yīng)用。當(dāng)前唯一提供商業(yè)化燃料電池的的應(yīng)用。當(dāng)前唯一提供商業(yè)化燃料電池的國(guó)際燃料電池公司國(guó)際燃料電池公司已在學(xué)校、已在學(xué)校、辦公室和銀行設(shè)施安裝了辦公室和銀行設(shè)施安裝了200多個(gè)磷酸燃料電池多個(gè)磷酸燃料電池裝置。在不久的將來(lái)，裝置。在不久的將來(lái)，諸如溶化的碳酸鹽燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池等高溫燃料電池也將諸如溶化的碳酸鹽燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池等高溫燃料電池也將用于大型的工業(yè)設(shè)施和兆瓦級(jí)的發(fā)電廠。當(dāng)工作溫度上升到用于大型的工業(yè)設(shè)施和兆瓦級(jí)的發(fā)電廠。當(dāng)工作溫度上升到600-1100時(shí)，這種高溫燃料電池可以耐受氫污染源，因此可以使用未加時(shí)，這種高溫燃料電池可以耐受氫污染源，因此可以使用未

27、加重整的天然氣，柴油，或汽油。此外，它們所產(chǎn)生的熱能還可用來(lái)驅(qū)動(dòng)重整的天然氣，柴油，或汽油。此外，它們所產(chǎn)生的熱能還可用來(lái)驅(qū)動(dòng)增器蒸氣氣輪機(jī)再進(jìn)行發(fā)電。增器蒸氣氣輪機(jī)再進(jìn)行發(fā)電。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院6、運(yùn)輸上的應(yīng)用v 以?xún)?nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的汽車(chē)已成為有害氣體排放的主要排放源，在世界各個(gè)國(guó)家和以?xún)?nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的汽車(chē)已成為有害氣體排放的主要排放源，在世界各個(gè)國(guó)家和地方機(jī)構(gòu)都在立法強(qiáng)迫汽車(chē)制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車(chē)輛，燃料電池地方機(jī)構(gòu)都在立法強(qiáng)迫汽車(chē)制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車(chē)輛，燃料電池可為這種要求帶來(lái)實(shí)質(zhì)的機(jī)遇。位于可為這種要求

28、帶來(lái)實(shí)質(zhì)的機(jī)遇。位于Alberta的的Pembina適當(dāng)設(shè)計(jì)研究所指出：適當(dāng)設(shè)計(jì)研究所指出：當(dāng)一輛小車(chē)使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池，其二氧化碳的排放量可以當(dāng)一輛小車(chē)使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池，其二氧化碳的排放量可以減少高達(dá)減少高達(dá)72%。，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的燃料電池必須能迅速地達(dá)到工作溫度，具有經(jīng)濟(jì)上。，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的燃料電池必須能迅速地達(dá)到工作溫度，具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，并能提供穩(wěn)定的性能。的優(yōu)勢(shì)，并能提供穩(wěn)定的性能。v 質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池最有條件滿(mǎn)足這些要求，其工作溫度交低，最有條件滿(mǎn)足這些要求，其工作溫度交低，80左右，它們左右，它們能很快地達(dá)到所需的溫度。由于能迅速

29、地適應(yīng)各種不同的需求，與內(nèi)燃機(jī)的效率能很快地達(dá)到所需的溫度。由于能迅速地適應(yīng)各種不同的需求，與內(nèi)燃機(jī)的效率25%左右相比，它們的效率可高達(dá)左右相比，它們的效率可高達(dá)60%。v 現(xiàn)在，大多數(shù)車(chē)輛生產(chǎn)商視質(zhì)子交換膜燃料電池為內(nèi)燃機(jī)的后繼者，現(xiàn)在，大多數(shù)車(chē)輛生產(chǎn)商視質(zhì)子交換膜燃料電池為內(nèi)燃機(jī)的后繼者，General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda，以及其他許多公司都，以及其他許多公司都已生產(chǎn)出使用該技術(shù)的原型。運(yùn)用不同車(chē)輛和使用不同地區(qū)的試驗(yàn)進(jìn)展順利，用已生產(chǎn)出使用該技術(shù)的原型。運(yùn)用不同車(chē)輛和使用不同地區(qū)的試驗(yàn)進(jìn)展順利，用質(zhì)子交換膜燃料電池為

30、公共汽車(chē)提供動(dòng)力的試驗(yàn)已在溫哥華和芝加哥取得成功。質(zhì)子交換膜燃料電池為公共汽車(chē)提供動(dòng)力的試驗(yàn)已在溫哥華和芝加哥取得成功。德國(guó)的城市也進(jìn)行了類(lèi)似的試驗(yàn)，明后二年（德國(guó)的城市也進(jìn)行了類(lèi)似的試驗(yàn)，明后二年（2002-2003），還有另外十個(gè)歐），還有另外十個(gè)歐洲城市也將在公共汽車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)，倫敦和加利福尼亞也將計(jì)劃在小型車(chē)輛上進(jìn)洲城市也將在公共汽車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)，倫敦和加利福尼亞也將計(jì)劃在小型車(chē)輛上進(jìn)行試驗(yàn)。行試驗(yàn)。v 在生產(chǎn)商能夠有效地，大規(guī)模地生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池之前，需要解決的主要在生產(chǎn)商能夠有效地，大規(guī)模地生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池之前，需要解決的主要問(wèn)題包括問(wèn)題包括生產(chǎn)成本，燃料質(zhì)量，以及電池的

31、體積生產(chǎn)成本，燃料質(zhì)量，以及電池的體積。但愿技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大。但愿技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大生產(chǎn)的共同作用將會(huì)運(yùn)用經(jīng)濟(jì)的規(guī)模性而降低生產(chǎn)成本。目前，人們也在對(duì)直接生產(chǎn)的共同作用將會(huì)運(yùn)用經(jīng)濟(jì)的規(guī)模性而降低生產(chǎn)成本。目前，人們也在對(duì)直接使用甲醇為燃料和從環(huán)境空氣中取得氧的另一解決方案進(jìn)行研究，它也可以避免使用甲醇為燃料和從環(huán)境空氣中取得氧的另一解決方案進(jìn)行研究，它也可以避免燃料的重整過(guò)程。燃料的重整過(guò)程。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院v 燃料電池必須同時(shí)要燃料電池必須同時(shí)要滿(mǎn)足以下功能滿(mǎn)足以下功能：物質(zhì)、能量平衡，：物質(zhì)、能量平衡，從電池外部提供的

32、燃料和氧化劑（空氣），在發(fā)電的同時(shí)從電池外部提供的燃料和氧化劑（空氣），在發(fā)電的同時(shí)連續(xù)地排出生成水合二氧化碳等氣體，即所謂的連續(xù)地排出生成水合二氧化碳等氣體，即所謂的物質(zhì)移動(dòng)物質(zhì)移動(dòng)-供給功能供給功能；燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，為了防止易燃、易；燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，為了防止易燃、易爆有危險(xiǎn)的燃料和氧化劑混合、泄露，應(yīng)有爆有危險(xiǎn)的燃料和氧化劑混合、泄露，應(yīng)有分離、密封功分離、密封功能能，為了分離燃料和氧化劑兩種物料，需要有隔離機(jī)能，為了分離燃料和氧化劑兩種物料，需要有隔離機(jī)能，平板型、圓筒型電池和電堆的結(jié)構(gòu)具有這種功能；電平板型、圓筒型電池和電堆的結(jié)構(gòu)具有這種功能；電連連接接，各電池在低損失時(shí)應(yīng)有連

33、接已發(fā)生電力的，各電池在低損失時(shí)應(yīng)有連接已發(fā)生電力的輸出功能輸出功能和和燃料電池的燃料電池的直流電轉(zhuǎn)變成交流電直流電轉(zhuǎn)變成交流電的功能；的功能；熱平衡熱平衡，為了，為了保持燃料電池一定溫度，需要具有溫度控制和冷卻功能以保持燃料電池一定溫度，需要具有溫度控制和冷卻功能以及利用聯(lián)合發(fā)電的排熱功能；及利用聯(lián)合發(fā)電的排熱功能；適用的燃料適用的燃料，在燃料電池，在燃料電池的電極反應(yīng)上，供給的燃料能變換成富氫氣燃料的改質(zhì)功的電極反應(yīng)上，供給的燃料能變換成富氫氣燃料的改質(zhì)功能；能；最優(yōu)化最優(yōu)化，為使氣態(tài)燃料和氧化劑發(fā)生很好的電極反，為使氣態(tài)燃料和氧化劑發(fā)生很好的電極反應(yīng)，電極應(yīng)有一定功能。保持良好電池特性的

34、三相界面的應(yīng)，電極應(yīng)有一定功能。保持良好電池特性的三相界面的多孔質(zhì)電極結(jié)構(gòu)和催化劑、溫度、壓力影響以及電池內(nèi)濃多孔質(zhì)電極結(jié)構(gòu)和催化劑、溫度、壓力影響以及電池內(nèi)濃度變化和電池特性的最佳化。度變化和電池特性的最佳化。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院燃料電池的特點(diǎn)v 燃料電池的特點(diǎn)是燃料電池的特點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換率高能量轉(zhuǎn)換率高，它的能效達(dá)到，它的能效達(dá)到60%70%，遠(yuǎn)高于熱機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率；，遠(yuǎn)高于熱機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率；v 環(huán)境友好環(huán)境友好，對(duì)于氫燃料電池，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水；，對(duì)于氫燃料電池，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水；v 工作安靜工作安靜；方便使用；方便使用；v

35、 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由配置合理的電池組構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)工廠燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由配置合理的電池組構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)模塊，生產(chǎn)模塊，電站安裝，更換方便電站安裝，更換方便；v 適用性強(qiáng)適用性強(qiáng)，燃料電池的燃料多種多樣，如氫氣、煤氣、天，燃料電池的燃料多種多樣，如氫氣、煤氣、天然氣、甲醇和汽油，燃料電池供電范圍廣，可根據(jù)需求建然氣、甲醇和汽油，燃料電池供電范圍廣，可根據(jù)需求建立大中小型電站，也可以制成攜帶式電源。立大中小型電站，也可以制成攜帶式電源。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院燃料電池的類(lèi)型v 目前燃料電池主要按電解質(zhì)的性質(zhì)劃分為五大類(lèi)：目前燃料電池主要按電

36、解質(zhì)的性質(zhì)劃分為五大類(lèi)：v 堿性燃料電池（堿性燃料電池（alkaline fuel cell ），簡(jiǎn)稱(chēng)），簡(jiǎn)稱(chēng)AFC；v 質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell），簡(jiǎn)稱(chēng)），簡(jiǎn)稱(chēng)PEMFC；v 磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（phosphorous acid fuel cell），），簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)PAFC；v 熔融碳酸鹽燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell），簡(jiǎn)稱(chēng)），簡(jiǎn)稱(chēng)MCFC；v 固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（solid-oxide fuel cell），簡(jiǎn)），簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)SOFC

37、。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 燃料電池介紹 燃料電池類(lèi)型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英文簡(jiǎn)稱(chēng)AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解質(zhì)氫氧化鉀溶液磷酸質(zhì)子滲透膜碳酸鉀固體氧化物燃料純氫天然氣，氫氫，甲醇，天然氣天然氣，煤氣，沼氣天然氣，煤氣，沼氣氧化劑純氧空氣空氣空氣空氣效率/%609037424358505065使用溫度/601201602206012060010006001000中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能

38、的一種動(dòng)力設(shè)備燃料電池的基本反應(yīng)步驟：1:反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞2:電化學(xué)反應(yīng)3:離子傳導(dǎo)以及電子傳導(dǎo)4:產(chǎn)物排出中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3.磷酸型燃料電池（磷酸型燃料電池（PAFC） v PAFC是一種以是一種以磷酸為電解質(zhì)磷酸為電解質(zhì)的燃料電池。的燃料電池。PAFC采用重采用重整整天然氣天然氣作燃料，空氣做氧化劑，浸有作燃料，空氣做氧化劑，浸有濃磷酸的濃磷酸的SiC微孔微孔膜膜作電解質(zhì)，作電解質(zhì)，Pt/C作催化劑，工作溫度作催化劑，工作溫度200。PAFC產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)直交變換后以交流電的形式供給用戶(hù)。產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)直交變換后以交

39、流電的形式供給用戶(hù)。v PAFC是是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池。50200kW功率的功率的PAFC可供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，1000kW功功率以上的率以上的PAFC可應(yīng)用于區(qū)域性電站。目前在美國(guó)、加拿可應(yīng)用于區(qū)域性電站。目前在美國(guó)、加拿大、歐洲和日本建立的大于大、歐洲和日本建立的大于200kW的的PAFC的電站已運(yùn)的電站已運(yùn)行多年，行多年，4500kW和和11000kW的電站也開(kāi)始運(yùn)行。的電站也開(kāi)始運(yùn)行。v PAFC的主要技術(shù)突破是采用炭黑和石墨作電池的結(jié)構(gòu)材的主要技術(shù)突破是采用炭黑和石墨作電池的結(jié)構(gòu)材料。至今還未發(fā)現(xiàn)除炭材外的任何一種材料不但具有高的料

40、。至今還未發(fā)現(xiàn)除炭材外的任何一種材料不但具有高的電導(dǎo)，而且在酸性條件下具有高的抗腐蝕能力和低費(fèi)用。電導(dǎo)，而且在酸性條件下具有高的抗腐蝕能力和低費(fèi)用。因此可以說(shuō)，采用非炭材、制備費(fèi)用合理的酸性燃料電池因此可以說(shuō)，采用非炭材、制備費(fèi)用合理的酸性燃料電池是不可能的。是不可能的。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3.1 PAFC的工作原理的工作原理中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3.2 PAFC關(guān)鍵材料關(guān)鍵材料電催化劑電催化劑 PAFC

41、采用采用Pt/C電催化劑，其技術(shù)關(guān)鍵為在高比表面積的炭黑上擔(dān)載納電催化劑，其技術(shù)關(guān)鍵為在高比表面積的炭黑上擔(dān)載納米級(jí)高分散的米級(jí)高分散的Pt微晶。鉑源一般采用氯鉑酸，按制備路線可分為兩類(lèi)不同微晶。鉑源一般采用氯鉑酸，按制備路線可分為兩類(lèi)不同方法：一是先將氯鉑酸轉(zhuǎn)化為鉑的絡(luò)合物，再由鉑的絡(luò)合物制備高分散方法：一是先將氯鉑酸轉(zhuǎn)化為鉑的絡(luò)合物，再由鉑的絡(luò)合物制備高分散PtC催化劑；二是從氯鉑酸的水溶液出發(fā)，采用特定的方法制備納米級(jí)高催化劑；二是從氯鉑酸的水溶液出發(fā)，采用特定的方法制備納米級(jí)高分散的分散的Pt/C電催化劑。電催化劑。 活性電催化劑鉑是活性電催化劑鉑是擔(dān)載在碳材料上的擔(dān)載在碳材料上的，碳

42、材料在，碳材料在PAFC工作條件下是相工作條件下是相對(duì)穩(wěn)定的。作為電催化劑的擔(dān)體，必須具有高的化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性、良對(duì)穩(wěn)定的。作為電催化劑的擔(dān)體，必須具有高的化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性、良好的電導(dǎo)、適宜的孔分布、高的比表面積以及低的雜質(zhì)含量。在各種碳材好的電導(dǎo)、適宜的孔分布、高的比表面積以及低的雜質(zhì)含量。在各種碳材料中，僅有無(wú)定形的炭黑具有上述性能。目前廣泛使用的用作料中，僅有無(wú)定形的炭黑具有上述性能。目前廣泛使用的用作Pt/C催化劑催化劑擔(dān)體的炭黑是擔(dān)體的炭黑是Cabot公司由石油生產(chǎn)的導(dǎo)電型電爐黑公司由石油生產(chǎn)的導(dǎo)電型電爐黑Vulcan XC-72。 為提高擔(dān)體的抗腐蝕性能，可在惰性氣氛下，高溫處

43、理碳材料增加炭為提高擔(dān)體的抗腐蝕性能，可在惰性氣氛下，高溫處理碳材料增加炭材長(zhǎng)程有序度，如材長(zhǎng)程有序度，如Vulcan XC-72經(jīng)過(guò)這種處理其抗腐蝕性大為改善。經(jīng)過(guò)這種處理其抗腐蝕性大為改善。（1）電極材料）電極材料 電極材料包括載體材料和催化劑材料。催化劑附著于載體表面，載體材料要求導(dǎo)電性能好、比表面積高、耐腐蝕和低密度。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 在在PAFC的工作條件下，納米級(jí)鉑微晶電催化劑中鉑的表面積的工作條件下，納米級(jí)鉑微晶電催化劑中鉑的表面積會(huì)逐漸減小，除因磷酸電解質(zhì)和空氣中雜質(zhì)和磷酸本身與陰離子會(huì)逐漸減小，除因磷酸電解質(zhì)和空氣

44、中雜質(zhì)和磷酸本身與陰離子在鉑表面吸附結(jié)塊導(dǎo)致鉑的有效活性表面積減少外，在鉑表面吸附結(jié)塊導(dǎo)致鉑的有效活性表面積減少外，主要是由鉑主要是由鉑溶解再沉積和鉑在炭載體表面遷移和再結(jié)晶引起的溶解再沉積和鉑在炭載體表面遷移和再結(jié)晶引起的。另外，由。另外，由于鉑微晶與炭載體之間的結(jié)合力很小，小的鉑微晶可經(jīng)炭表面遷于鉑微晶與炭載體之間的結(jié)合力很小，小的鉑微晶可經(jīng)炭表面遷移、聚合，生成大的鉑微晶導(dǎo)致移、聚合，生成大的鉑微晶導(dǎo)致鉑表面積下降。鉑表面積下降。 為為防止因鉑微晶的溶解和遷移、聚合導(dǎo)致鉑表面積損失，人防止因鉑微晶的溶解和遷移、聚合導(dǎo)致鉑表面積損失，人們想辦法將鉑錨定在炭載體上們想辦法將鉑錨定在炭載體上。

45、一是用。一是用CO處理處理Pt/C催化劑，因催化劑，因CO裂解沉積在鉑微晶周邊的炭起錨定鉑微晶的作用；二是引入裂解沉積在鉑微晶周邊的炭起錨定鉑微晶的作用；二是引入合金元素與鉑形成合金，增大鉑與炭的結(jié)合力，同時(shí)增加波的電合金元素與鉑形成合金，增大鉑與炭的結(jié)合力，同時(shí)增加波的電催化活性。催化活性。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院（2）電解質(zhì)材料 v PAFC的電解質(zhì)是濃磷酸溶液。磷酸在常溫下導(dǎo)電性小，的電解質(zhì)是濃磷酸溶液。磷酸在常溫下導(dǎo)電性小，在在高溫下高溫下具有良好的離子導(dǎo)電性，所以具有良好的離子導(dǎo)電性，所以PAFC的工作溫度的工作溫度在在200左右

46、。磷酸是無(wú)色、油狀且有吸水性的液體，它左右。磷酸是無(wú)色、油狀且有吸水性的液體，它在水溶液中可離析出導(dǎo)電的氫離子。濃磷酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為在水溶液中可離析出導(dǎo)電的氫離子。濃磷酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%）的凝固點(diǎn)是）的凝固點(diǎn)是42，低于這個(gè)溫度使用時(shí)，低于這個(gè)溫度使用時(shí)，PAFC的電解質(zhì)將發(fā)生固化。而電解質(zhì)的固化會(huì)對(duì)電極產(chǎn)的電解質(zhì)將發(fā)生固化。而電解質(zhì)的固化會(huì)對(duì)電極產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷，電池性能會(huì)下降。所以生不可逆轉(zhuǎn)的損傷，電池性能會(huì)下降。所以PAFC電池一電池一旦啟動(dòng)，體系溫度要始終維持在旦啟動(dòng)，體系溫度要始終維持在45以上。以上。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院

47、（3）隔膜材料 v PAFC的電解質(zhì)封裝在的電解質(zhì)封裝在電池隔膜內(nèi)電池隔膜內(nèi)。隔膜材料目前采用微。隔膜材料目前采用微孔結(jié)構(gòu)隔膜，它由孔結(jié)構(gòu)隔膜，它由SiC和聚四氟乙烯組成，寫(xiě)作和聚四氟乙烯組成，寫(xiě)作SiC-PTFE。新型的。新型的SiC-PTFE隔膜有直徑極小的微孔，可兼隔膜有直徑極小的微孔，可兼顧分離效果和電解質(zhì)傳輸。顧分離效果和電解質(zhì)傳輸。v 設(shè)計(jì)隔膜的孔徑遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)隔膜的孔徑遠(yuǎn)小于PAFC采用的氫電極和氧電極（采采用的氫電極和氧電極（采用多孔氣體擴(kuò)散電極）的孔徑，這樣可以保證濃磷酸容納用多孔氣體擴(kuò)散電極）的孔徑，這樣可以保證濃磷酸容納在電解質(zhì)隔膜內(nèi)，起到離子導(dǎo)電和分隔氫、氧氣體的作用。在

48、電解質(zhì)隔膜內(nèi)，起到離子導(dǎo)電和分隔氫、氧氣體的作用。隔膜與電極緊貼組裝后，當(dāng)飽吸濃磷酸的隔膜與氫、氧電隔膜與電極緊貼組裝后，當(dāng)飽吸濃磷酸的隔膜與氫、氧電極組合成電池的時(shí)候，極組合成電池的時(shí)候，部分磷酸電解液會(huì)在電池阻力的作部分磷酸電解液會(huì)在電池阻力的作用下進(jìn)入氫、氧多孔氣體擴(kuò)散電極的催化層，形成穩(wěn)定的用下進(jìn)入氫、氧多孔氣體擴(kuò)散電極的催化層，形成穩(wěn)定的三相界面。三相界面。 中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院（4）雙極板材料 v 雙極板雙極板的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)電流，使兩級(jí)導(dǎo)的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)電流，使兩級(jí)導(dǎo)通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板

49、，表面平整光滑，以利于通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板，表面平整光滑，以利于電池各部件接觸均勻。為了減少電阻和熱阻，雙極板材料電池各部件接觸均勻。為了減少電阻和熱阻，雙極板材料非常薄。非常薄。v 要求：足夠的氣密性，以防止反應(yīng)氣體的滲透；在高溫高要求：足夠的氣密性，以防止反應(yīng)氣體的滲透；在高溫高壓及磷酸中化學(xué)性能穩(wěn)定性；良好的導(dǎo)電電熱能力；足夠壓及磷酸中化學(xué)性能穩(wěn)定性；良好的導(dǎo)電電熱能力；足夠的機(jī)械強(qiáng)度。的機(jī)械強(qiáng)度。v 在在1000-2000度對(duì)熱固樹(shù)脂（如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂）度對(duì)熱固樹(shù)脂（如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂）碳化制得的玻璃化碳強(qiáng)度高、氣密性好。碳化制得的玻璃化碳強(qiáng)度高、氣密性好。中南大學(xué)冶金科

50、學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 電極結(jié)構(gòu)與制備工藝電極結(jié)構(gòu)與制備工藝1）電極結(jié)構(gòu)）電極結(jié)構(gòu) PAFC采用的電極與采用的電極與AFC一樣，均屬多孔氣體擴(kuò)散電極。為提高鉑的利用率、一樣，均屬多孔氣體擴(kuò)散電極。為提高鉑的利用率、降低鉑載量，開(kāi)發(fā)了降低鉑載量，開(kāi)發(fā)了PAFC專(zhuān)用電極。該電極分為三層：專(zhuān)用電極。該電極分為三層： 第一層：第一層：疏水碳紙疏水碳紙 通常稱(chēng)支撐層通常稱(chēng)支撐層 浸入浸入40%50%的聚四氟乙烯乳液后，的聚四氟乙烯乳液后，孔隙率降至孔隙率降至60%左右，平均孔徑為左右，平均孔徑為12.5 m。支撐層的厚度為。支撐層的厚度為0.20.4m

51、m，它的作，它的作用是支撐催化層，同時(shí)起收集和傳導(dǎo)電流的作用。用是支撐催化層，同時(shí)起收集和傳導(dǎo)電流的作用。 第二層：第二層：整平層（擴(kuò)散整平層（擴(kuò)散層層 ） 為便于在支撐層上制備催化層，在炭紙表面為便于在支撐層上制備催化層，在炭紙表面制備一層由制備一層由X-72型炭和型炭和50%聚四氟乙烯乳液組成的混合物，厚度為聚四氟乙烯乳液組成的混合物，厚度為12 m。 第三層：第三層：催化層催化層 在擴(kuò)散層上覆蓋由鉑在擴(kuò)散層上覆蓋由鉑/炭電催化劑炭電催化劑+聚四氟乙烯乳液聚四氟乙烯乳液（30%50%）的催化層，厚度約）的催化層，厚度約50 m。 一般而言，電極制備好后須經(jīng)過(guò)滾壓處理，壓實(shí)后在一般而言，電極

52、制備好后須經(jīng)過(guò)滾壓處理，壓實(shí)后在320340度燒結(jié)，以增度燒結(jié)，以增強(qiáng)電極防水性。強(qiáng)電極防水性。2）制備工藝）制備工藝 擴(kuò)散層：擴(kuò)散層： 碳紙?zhí)技圥TFE浸泡法浸泡法 整平層與催化層：噴涂法或刮膜法（類(lèi)似于鋰離子電池極片拉漿）整平層與催化層：噴涂法或刮膜法（類(lèi)似于鋰離子電池極片拉漿）中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3） 雙極板雙極板 PAFC的雙極板材料采用復(fù)合碳板。復(fù)合碳板分三層，中間的雙極板材料采用復(fù)合碳板。復(fù)合碳板分三層，中間為無(wú)孔薄板，兩側(cè)為多孔碳板。為無(wú)孔薄板，兩側(cè)為多孔碳板。作為作為PAFC的雙極板，最重要的性能是它的比電導(dǎo)、與電極之間

53、的雙極板，最重要的性能是它的比電導(dǎo)、與電極之間的接觸電阻和在電池工作條件下的穩(wěn)定性。的接觸電阻和在電池工作條件下的穩(wěn)定性。20世紀(jì)世紀(jì)80年代，采年代，采用鑄模工藝由石墨粉和酚醛樹(shù)脂制備帶流場(chǎng)的雙極板。對(duì)模鑄用鑄模工藝由石墨粉和酚醛樹(shù)脂制備帶流場(chǎng)的雙極板。對(duì)模鑄雙極板，其性能由石墨粉粒度分布、樹(shù)脂類(lèi)型與含量、模鑄條雙極板，其性能由石墨粉粒度分布、樹(shù)脂類(lèi)型與含量、模鑄條件與焙燒溫度等決定。件與焙燒溫度等決定。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 圖圖31 磷酸型燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖磷酸型燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖3.3 PAFC結(jié)構(gòu)與電池組結(jié)構(gòu)與電池組中南大學(xué)冶金

54、科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院1） 電池密封電池密封 電池密封分兩個(gè)部分：一是每節(jié)電池氧化劑與燃料相鄰兩個(gè)周邊的密電池密封分兩個(gè)部分：一是每節(jié)電池氧化劑與燃料相鄰兩個(gè)周邊的密封；二是燃料腔與空氣相鄰兩個(gè)周邊的密封和外共用管道與電池組的密封；二是燃料腔與空氣相鄰兩個(gè)周邊的密封和外共用管道與電池組的密封。封。 對(duì)于干裝電池，可將碳化硅隔膜需密封邊浸入氟密封膠，并使其滲入對(duì)于干裝電池，可將碳化硅隔膜需密封邊浸入氟密封膠，并使其滲入隔膜內(nèi)部，完成隔膜阻氣和實(shí)現(xiàn)與雙極板之間的密封。而對(duì)濕裝電池隔膜內(nèi)部，完成隔膜阻氣和實(shí)現(xiàn)與雙極板之間的密封。而對(duì)濕裝電池（預(yù)先將濃磷酸浸

55、入碳化硅隔膜），濃磷酸即可起密封作用。外用管道（預(yù)先將濃磷酸浸入碳化硅隔膜），濃磷酸即可起密封作用。外用管道與電池組間的密封一般采用與電池組間的密封一般采用Viton橡皮做密封墊，該橡皮在橡皮做密封墊，該橡皮在PAFC工作溫工作溫度下具有輕微流動(dòng)性，有助于實(shí)現(xiàn)外共用管道與電池組間密封。度下具有輕微流動(dòng)性，有助于實(shí)現(xiàn)外共用管道與電池組間密封。2）電介質(zhì)管理電介質(zhì)管理 PAFC用碳化硅薄膜厚度較小，貯存的磷酸有限，在電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用碳化硅薄膜厚度較小，貯存的磷酸有限，在電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，由于磷酸揮發(fā)和電池材料腐蝕等原因?qū)е铝姿釗p失，不但影行過(guò)程中，由于磷酸揮發(fā)和電池材料腐蝕等原因?qū)е铝姿釗p失，不

56、但影響電池性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起燃料與氧化劑互竄。響電池性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起燃料與氧化劑互竄。 為確保為確保PAFC的炭化硅薄膜有充足的磷酸，以發(fā)展了兩種技術(shù)：的炭化硅薄膜有充足的磷酸，以發(fā)展了兩種技術(shù)：一是預(yù)一是預(yù)先將酸貯存在電池內(nèi)，靠燈芯將酸導(dǎo)至膜電極組件中；二是在電池組內(nèi)先將酸貯存在電池內(nèi)，靠燈芯將酸導(dǎo)至膜電極組件中；二是在電池組內(nèi)加蓄酸板，實(shí)現(xiàn)磷酸的補(bǔ)充和當(dāng)酸體積改變是防止酸流失。加蓄酸板，實(shí)現(xiàn)磷酸的補(bǔ)充和當(dāng)酸體積改變是防止酸流失。中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院3.4 影響影響PAFC性能的因素性能的因素1）溫度）溫度 熱力學(xué)分析角度看，升

57、高電池的工作溫度，會(huì)使電池的可逆電熱力學(xué)分析角度看，升高電池的工作溫度，會(huì)使電池的可逆電位下降。但升高溫度會(huì)加速傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)速率，減少活化極化、濃差位下降。但升高溫度會(huì)加速傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)速率，減少活化極化、濃差極化和歐姆極化。總體上升溫會(huì)改善電池性能，極化和歐姆極化?？傮w上升溫會(huì)改善電池性能，PAFC的工作溫度為的工作溫度為200。2）氣體壓力）氣體壓力 熱力學(xué)分析表明，電池反應(yīng)氣體的工作壓力會(huì)提高可逆電熱力學(xué)分析表明，電池反應(yīng)氣體的工作壓力會(huì)提高可逆電池的電壓；從動(dòng)力學(xué)角度看，升高壓力會(huì)增加氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)速率，池的電壓；從動(dòng)力學(xué)角度看，升高壓力會(huì)增加氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)速率，氧還

58、原的速率與氧的壓力成正比。升高壓力會(huì)減少歐姆極化。氧還原的速率與氧的壓力成正比。升高壓力會(huì)減少歐姆極化。 3）反應(yīng)氣體組成）反應(yīng)氣體組成PAFC的燃料氣對(duì)雜質(zhì)有相當(dāng)高的要求，以富氫氣體為例，富氫氣體中的的燃料氣對(duì)雜質(zhì)有相當(dāng)高的要求，以富氫氣體為例，富氫氣體中的CO會(huì)造成催化劑鉑中毒和氫電極極化，要求會(huì)造成催化劑鉑中毒和氫電極極化，要求CO的濃度范圍控制在的濃度范圍控制在1%（工作溫度為（工作溫度為190時(shí)），富氫氣體中的時(shí)），富氫氣體中的H2S氣體的最高體積分?jǐn)?shù)為氣體的最高體積分?jǐn)?shù)為2.010-6。4）4）燃料電池壽命）燃料電池壽命在在PAFC的工作條件下，氧電極的工作電壓高于的工作條件下，氧電極的工作電壓高于0.8V時(shí)，電催化劑鉑會(huì)發(fā)時(shí)，電催化劑鉑會(huì)發(fā)生微溶，催化劑的擔(dān)體生微溶，催化