燃料電池培訓(xùn)課件

第五章燃料電池第五章燃料電池1燃料電池的概述燃料電池（fullCell）是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池在原理和結(jié)構(gòu)上和普通電池（battery）完全不同。燃料電池的活性物質(zhì)是存儲(chǔ)在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化物就一直能發(fā)電，因而容量是無限的。而電池的容量是有限的，活性物質(zhì)一旦消耗完，電池的壽命就終止。燃料電池的概述燃料電池（fullCell）是一種將持續(xù)供給2燃料電池的組成燃料電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系統(tǒng)，水管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。燃料電池的組成燃料電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系3燃料電池的種類堿性燃料電池（AFC）（alkalinefuelcell)磷酸型燃料電池(PAFC)(phosphorousacidfuelcell)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(moltencarbonatefuelcell)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)(protonexchangemembranefuelcell)固體氧化物燃料電池(SOFC)(solidoxidefuelcell)燃料電池類型堿性燃料電池磷酸型燃料電池質(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60%~90%37%~42%43%~58%50%~50%~65%使用溫度60~120160~22060~120600~1000600~1000燃料電池的種類堿性燃料電池（AFC）（alkalinefu4堿性燃料電池工作原理使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，

陽極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。堿性燃料電池工作原理5堿性燃料電池工作示意圖堿性燃料電池工作示意圖6AFC電極的制備工藝AFC的電極設(shè)計(jì)要求電極具有高度穩(wěn)定性的氣、液、固三相界面。雙孔結(jié)構(gòu)電極電極分兩層，粗孔層和細(xì)孔層，粗孔層與氣室相連，細(xì)孔層與電解質(zhì)接觸。電極工作時(shí)，粗孔層內(nèi)充滿反應(yīng)氣體，細(xì)孔層內(nèi)填滿電解液。細(xì)孔層的電解液浸潤(rùn)粗孔層，液氣界面形成并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，離子和水在電解液中傳遞，而電子則在構(gòu)成粗孔層和細(xì)孔層的合金骨架內(nèi)傳導(dǎo)。黏結(jié)型電極是將親水的導(dǎo)電體（如電催化劑材料鉑／碳）與具有粘結(jié)能力的防水劑（如聚四氟乙烯乳液）按比例混合制成電極。它在微觀尺度上是相互交錯(cuò)的兩相體系，由防水劑構(gòu)成的疏水網(wǎng)絡(luò)為反應(yīng)氣體提供內(nèi)部的擴(kuò)散通道；由電催化劑構(gòu)成的親水網(wǎng)絡(luò)可以被電解液充滿浸潤(rùn)，它為水和OH-提供通道的同時(shí)，也為電子的傳導(dǎo)提供通道。AFC電極的制備工藝AFC的電極設(shè)計(jì)要求電極具有高度穩(wěn)定性的7AFC的催化劑常用的催化劑有貴金屬，包括鉑、銠、金、銀貴金屬合金過渡金屬，如鈷、鎳和錳等。對(duì)催化劑的布置形式直接制成電極如采用高比表面的鎳作陽極，銀粉作陰極，電極本身具有催化性能用高比表面的碳材料做電極基體，將貴金屬催化劑分散到碳基體上，形成具有催化活性的電極。AFC的催化劑常用的催化劑有8AFC的隔膜材料一般采用石棉膜由石棉纖維制備，分子式為3MgO·2SiO2·2H2O石棉膜化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿和有機(jī)物腐蝕，具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，是電子的絕緣體。飽浸氫氧化鉀水溶液的石棉膜是離子(OH－)的良好導(dǎo)體，并阻止水分子通過。AFC的隔膜材料一般采用石棉膜9AFC循環(huán)系統(tǒng)AFC循環(huán)系統(tǒng)10AFC的排水方法反應(yīng)氣體循環(huán)法通過循環(huán)一個(gè)或兩個(gè)電極的反應(yīng)氣體，在外部冷凝成液態(tài)水排出靜態(tài)排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置一多孔排水膜，生成的水通過濃差擴(kuò)散通過氫氣室，進(jìn)入排水膜在排水膜外側(cè)冷凝并通過排水腔排出冷凝排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置冷凝板，外側(cè)的冷凝腔內(nèi)流過冷卻劑，生成的水災(zāi)冷凝板上冷凝成液態(tài)排出電解質(zhì)排水法通過電解液的外部循環(huán)蒸發(fā)排水AFC的排水方法反應(yīng)氣體循環(huán)法11AFC的性能優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高通常單位輸出電壓為0.8~0.95V，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%~70%。采用非鉑系催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定缺點(diǎn)：氧化劑中必須不含有CO2。燃料中必須不含CO2電池電化學(xué)反應(yīng)生成的水必須及時(shí)排出，維持水平衡。AFC的性能優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：12磷酸鹽燃料電池（PAFC)PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池。PAFC采用重整天然氣作燃料，空氣作氧化劑，浸有濃磷酸的SiC微孔膜作電解質(zhì)，Pt/C作催化劑，工作溫度200℃。PAFC是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池。磷酸鹽燃料電池（PAFC)PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃13PAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2CH3OH+H2O→3H2+CO2陽極：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O總反應(yīng)1/2O2+2H2→H2OPAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2陽極：陰極14PAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組。PAFC的工作溫度一般為200℃左右，能量轉(zhuǎn)化率約在40%，為保證電池工作穩(wěn)定，必須連續(xù)地排除廢熱。PAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組。PAF15PAFC的冷卻系統(tǒng)水冷排熱水冷可采用沸水冷卻和加壓冷卻。沸水冷卻時(shí)，水的用量較少，而加壓冷卻則要求水的流量較大。水冷系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求高，以防止水對(duì)冷卻板材料的腐蝕。水中的重金屬含量要低于百萬分之一，氧含量要低于十億分之一空氣冷卻

采用空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定。但氣體熱容低，造成空氣循環(huán)量大，消耗動(dòng)力過大。所以氣冷僅適用于中小功率的電池組。絕緣油冷卻

采用絕緣油作冷卻劑的結(jié)構(gòu)與加壓式水冷相似，油冷系統(tǒng)可以避免

對(duì)水質(zhì)高的要求，但由于油的比熱小，流量遠(yuǎn)大于水的流量。PAFC的冷卻系統(tǒng)水冷排熱16PAFC的關(guān)鍵材料電催化劑Pt/C催化劑是PAFC常用的電極活性材料。鉑和過渡金屬（V、Cr、Co等）和合金電極結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層平整層催化層電解質(zhì)材料濃磷酸溶液隔膜材料微孔結(jié)構(gòu)隔膜，由SiC和聚四氟乙烯組成。雙極板雙極板的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)電流，使兩極導(dǎo)通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板，表面平整無滑，以利于電池各部件接觸均勻。為了減少電阻和熱阻，雙極板材料非常薄。

PAFC的關(guān)鍵材料電催化劑雙極板17PAFC應(yīng)用系統(tǒng)PAFC應(yīng)用系統(tǒng)18質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，以Pt/C或Pt-Ru/C為電催化劑，燃料

氫或凈化重整氣，氧化劑采用空氣或純氧，雙電極材料目前采用石墨或金屬。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固19PEMFC的工作原理陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O電池反應(yīng)：H2+1/2O2→H2OPEMFC的工作原理陽極反應(yīng)：20PEMFC的結(jié)構(gòu)PEMFC的結(jié)構(gòu)21PEMFC的材料關(guān)鍵材料：電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜和雙極板電催化劑材料主要以鉑為主。碳載鉑合金催化劑合金元素主要有鉑、鉻、錳、鈷和鎳等，鉑在合金元素中的比例一般在35%～65%之間。納米級(jí)顆粒Pt/C催化劑PEMFC的材料關(guān)鍵材料：電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜和雙極板22PEMFC電極的制備工藝PEMFC電極采用多孔氣體擴(kuò)散電極，由催化層和擴(kuò)散層構(gòu)成擴(kuò)散層起支撐催化層的作用，同時(shí)還有收集電流，為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道，氣體通道和排水通道等功能。催化層是電極的核心部分，電池的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化層。PEMFC電極的制備工藝PEMFC電極采用多孔氣體擴(kuò)散電極，23擴(kuò)散層的制備工藝憎水處理將原料碳紙多次浸入聚四氟乙烯（PTFE）乳液中，用稱重法記錄浸入的聚四氟乙烯乳液的量。焙燒處理在330～340℃的溫度下，焙燒浸好的碳紙，排出其中浸入的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性劑，同時(shí)使聚四氟乙烯熱熔燒結(jié)并均勻分散在碳紙的纖維上，實(shí)現(xiàn)憎水。整平處理將水或水＋乙醇的混合液作溶劑，加入炭黑與PTFE配成的質(zhì)量比為１:１的溶液，用超聲波將溶劑與溶液振蕩均勻。當(dāng)混合物靜止沉淀后，棄去上清液，取其沉降物涂到憎水處理的碳紙上，實(shí)現(xiàn)其表面平整。其它處理擴(kuò)散層的制備工藝憎水處理24催化層的制備工藝催化層的制備工藝目前可分為兩大類：經(jīng)典疏水電極催化層制備工藝薄層親水電極催化層制備工藝。催化層的制備工藝催化層的制備工藝目前可分為兩大類：25膜電極三合一組件與AFC、PAFC相比，PEMFC保持電極與膜的良好接觸要困難得多。PEMFC的膜為高分子聚合物，僅靠電池組裝力不能使電極與離子交換膜之間有良好的接觸，同時(shí)質(zhì)子導(dǎo)體也無法進(jìn)入多孔氣體電極的內(nèi)部。于是必須制備電極-膜-電極的三合一組件。具體做法是將全氟磺酸樹脂玻璃化溫度下施加一定壓力，將以加入全氟磺酸樹脂的氫電極（陽極）、隔膜(全氟磺酸型質(zhì)子交換膜)和已加入全氟磺酸樹脂的氧電極（陰極）壓和在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件，膜電極三合一組件與AFC、PAFC相比，PEMFC保26影響PEMFC性能的因素質(zhì)子交換膜的厚度不同，會(huì)造成電池內(nèi)阻的差異。研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換膜越薄，越有利于提高電極的催化活性。提高電池的操作溫度，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜內(nèi)的傳遞速度?？紤]到質(zhì)子交換膜為有機(jī)物，操作溫度通常在室溫到90℃。操作壓力為PH2/PO2的壓力比值。如果增加氣體壓力，可以改變氫、氧氣體的傳質(zhì)，影響電池的性能。同時(shí)，會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的能耗。質(zhì)子交換膜中的水含量影響電解質(zhì)膜的電導(dǎo)，膜如果失水，膜電導(dǎo)會(huì)下降。對(duì)反應(yīng)氣體增溫可以防止膜失水，以確保電池正常運(yùn)行。影響PEMFC性能的因素質(zhì)子交換膜的厚度不同，會(huì)造成電池內(nèi)阻27熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)MCFC屬高溫燃料電池，工作溫度是650~700℃。與低溫燃料電池相比，MCFC的本和效率很有競(jìng)爭(zhēng)力，概括起來有四大優(yōu)勢(shì)：①在工作溫度下，MCFC可以進(jìn)行內(nèi)部重整燃料，例如在陽極反應(yīng)室進(jìn)行甲烷的重反應(yīng)，重整反應(yīng)到所需熱量由電池反應(yīng)的余熱提供；②MCFC的工作溫度為650~700℃，其余熱可用來壓縮反應(yīng)氣體以提高電池性能，可以用于供暖；③燃料重整時(shí)產(chǎn)生的CO可以作為MCFC的燃料，且由于MCFC為高溫燃料電池，不會(huì)受到CO的中毒催化劑的威脅；④催化劑為鎳合金，不使用貴金屬。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)MCFC屬高溫燃料電池，工28MCFC的工作原理MCFC的工作原理29MCFC的工作原理MCFC的陰極反應(yīng)：O2+2CO2+4e-→2CO32-陽極反應(yīng)：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-電池反應(yīng)：O2+2H2→2H2OMCFC的工作原理MCFC的陰極反應(yīng)：30MCFC的結(jié)構(gòu)MCFC的結(jié)構(gòu)31MCFC的性能MCFC的性能32MCFC的制備工藝隔膜的制備膜主要采用偏鋁酸鋰(LiAlO2)膜，隔膜材料為L(zhǎng)iAlO2粉體。為了保證隔膜的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制LiAlO2的粒度、晶型和密度。偏鋁酸鋰隔膜的制備方法有熱壓法、電沉積法、真空鑄造法、冷熱液法和帶鑄法等。其中帶鑄法既適宜于大批量生產(chǎn)，又能保證質(zhì)量，目前廣泛被采用。MCFC的制備工藝隔膜的制備33MCFC的制備工藝陰極的制備原料選用羰基法制備的Ni粉，也可以選用高溫合成法制備的Ni-Cr合金粉（Cr的含量為8%），加入一定比例的膠黏劑、增塑劑和分散劑，用正丁醇和乙醇作溶劑調(diào)成漿料，用帶鑄制膜。陽極的制備原料選用LiCoO2、LiMnO2或CeO2等，同樣采用帶鑄法制成陽極。膜厚度為0.4~0.6mm，平均孔徑為10μm，孔隙率為50%~70%左右。MCFC的制備工藝陰極的制備34MCFC的制備工藝雙極板材料雙極板的原材料主要為不銹鋼或各種鎳合金。雙極板有三個(gè)主要作用：隔開氧化劑（O2或空氣）與還原劑（天然氣、重整氣）；提供氣體流動(dòng)通道；集流導(dǎo)電。MCFC的制備工藝雙極板材料35MCFC的研究趨勢(shì)陰極的溶解解決陰極溶解的方法主要有：

①抑制NiO的溶解，包括向電解質(zhì)中加入BaCO3、SrCO3，改變電解質(zhì)的組分配比；

②改變陰極成分，向其中加入氧化鈷、氧化銀或稀土氧化物；

③改變陰極材料，用LiCoO2、LiMnO2LiFeO2、SnO2、Sb2O3、CuO、CeO2取代做陰極；

④降低氣體工作電壓，減緩NiO的溶解。MCFC的研究趨勢(shì)陰極的溶解36MCFC的研究趨勢(shì)陽極的蠕動(dòng)在高溫條件下，還原氣氛中的鎳還發(fā)生蠕變，結(jié)果導(dǎo)致電池的機(jī)械強(qiáng)度降低。向鎳陽極中加入Cr、Al等元素用LiAlO2或SrTiO3作電極的基體材料，其表面鍍一層鎳或銅，然后熱壓燒成電極，目前普遍采用Ni-Cr或Ni-Al合金作MCFC的陽極。電池雙極板材料的防腐MCFC的研究趨勢(shì)陽極的蠕動(dòng)37固體氧化物燃料電池（SOFC）SOFC的電解質(zhì)是固體氧化物，如ZrO2、Bi2O3等，其陽極是Ni-YSZ陶瓷，陰極目前主要采用錳酸鑭(LSM，La1-xSrxMnO3)材料。SOFC的固體氧化物電解質(zhì)在高溫下（800~1000℃）具有傳遞O2-離子的能力，在電池中起傳遞O2-離子和分隔氧化劑與燃料的作用。固體氧化物燃料電池（SOFC）SOFC的電解質(zhì)是固體38SOFC的工作原理SOFC的工作原理39陰極反應(yīng)O2+4e-→2O2-陽極反應(yīng)2O2-+2H2→H2O+4e-電池反應(yīng)2H2+O2→2H2O陰極反應(yīng)40SOFC的結(jié)構(gòu)SOFC的結(jié)構(gòu)41SOFC的結(jié)構(gòu)SOFC的結(jié)構(gòu)42SOFC的材料固體氧化物電解質(zhì)材料螢石結(jié)構(gòu)的氧化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物陰極材料錳酸鑭（鍶摻雜）陽極材料Ni與YSZ混合制成的金屬陶瓷電極雙極板材料Cr-Ni合金鉻酸鑭（鈣、鍶摻雜）SOFC的材料固體氧化物電解質(zhì)材料43燃料電池的應(yīng)用燃料電池的應(yīng)用44燃料電池電站燃料電池電站45思考題堿性燃料電池的工作原理是什么？與其他燃料電池相比較其優(yōu)點(diǎn)有哪些？固體氧化物燃料電池的工作原理是什么？與其他燃料電池相比較其優(yōu)點(diǎn)和不足分別有哪些？思考題堿性燃料電池的工作原理是什么？與其他燃料電池相比較其46第五章燃料電池第五章燃料電池47燃料電池的概述燃料電池（fullCell）是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池在原理和結(jié)構(gòu)上和普通電池（battery）完全不同。燃料電池的活性物質(zhì)是存儲(chǔ)在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化物就一直能發(fā)電，因而容量是無限的。而電池的容量是有限的，活性物質(zhì)一旦消耗完，電池的壽命就終止。燃料電池的概述燃料電池（fullCell）是一種將持續(xù)供給48燃料電池的組成燃料電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系統(tǒng)，水管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。燃料電池的組成燃料電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系49燃料電池的種類堿性燃料電池（AFC）（alkalinefuelcell)磷酸型燃料電池(PAFC)(phosphorousacidfuelcell)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(moltencarbonatefuelcell)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)(protonexchangemembranefuelcell)固體氧化物燃料電池(SOFC)(solidoxidefuelcell)燃料電池類型堿性燃料電池磷酸型燃料電池質(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60%~90%37%~42%43%~58%50%~50%~65%使用溫度60~120160~22060~120600~1000600~1000燃料電池的種類堿性燃料電池（AFC）（alkalinefu50堿性燃料電池工作原理使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，

陽極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。堿性燃料電池工作原理51堿性燃料電池工作示意圖堿性燃料電池工作示意圖52AFC電極的制備工藝AFC的電極設(shè)計(jì)要求電極具有高度穩(wěn)定性的氣、液、固三相界面。雙孔結(jié)構(gòu)電極電極分兩層，粗孔層和細(xì)孔層，粗孔層與氣室相連，細(xì)孔層與電解質(zhì)接觸。電極工作時(shí)，粗孔層內(nèi)充滿反應(yīng)氣體，細(xì)孔層內(nèi)填滿電解液。細(xì)孔層的電解液浸潤(rùn)粗孔層，液氣界面形成并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，離子和水在電解液中傳遞，而電子則在構(gòu)成粗孔層和細(xì)孔層的合金骨架內(nèi)傳導(dǎo)。黏結(jié)型電極是將親水的導(dǎo)電體（如電催化劑材料鉑／碳）與具有粘結(jié)能力的防水劑（如聚四氟乙烯乳液）按比例混合制成電極。它在微觀尺度上是相互交錯(cuò)的兩相體系，由防水劑構(gòu)成的疏水網(wǎng)絡(luò)為反應(yīng)氣體提供內(nèi)部的擴(kuò)散通道；由電催化劑構(gòu)成的親水網(wǎng)絡(luò)可以被電解液充滿浸潤(rùn)，它為水和OH-提供通道的同時(shí)，也為電子的傳導(dǎo)提供通道。AFC電極的制備工藝AFC的電極設(shè)計(jì)要求電極具有高度穩(wěn)定性的53AFC的催化劑常用的催化劑有貴金屬，包括鉑、銠、金、銀貴金屬合金過渡金屬，如鈷、鎳和錳等。對(duì)催化劑的布置形式直接制成電極如采用高比表面的鎳作陽極，銀粉作陰極，電極本身具有催化性能用高比表面的碳材料做電極基體，將貴金屬催化劑分散到碳基體上，形成具有催化活性的電極。AFC的催化劑常用的催化劑有54AFC的隔膜材料一般采用石棉膜由石棉纖維制備，分子式為3MgO·2SiO2·2H2O石棉膜化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿和有機(jī)物腐蝕，具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，是電子的絕緣體。飽浸氫氧化鉀水溶液的石棉膜是離子(OH－)的良好導(dǎo)體，并阻止水分子通過。AFC的隔膜材料一般采用石棉膜55AFC循環(huán)系統(tǒng)AFC循環(huán)系統(tǒng)56AFC的排水方法反應(yīng)氣體循環(huán)法通過循環(huán)一個(gè)或兩個(gè)電極的反應(yīng)氣體，在外部冷凝成液態(tài)水排出靜態(tài)排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置一多孔排水膜，生成的水通過濃差擴(kuò)散通過氫氣室，進(jìn)入排水膜在排水膜外側(cè)冷凝并通過排水腔排出冷凝排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置冷凝板，外側(cè)的冷凝腔內(nèi)流過冷卻劑，生成的水災(zāi)冷凝板上冷凝成液態(tài)排出電解質(zhì)排水法通過電解液的外部循環(huán)蒸發(fā)排水AFC的排水方法反應(yīng)氣體循環(huán)法57AFC的性能優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高通常單位輸出電壓為0.8~0.95V，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%~70%。采用非鉑系催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定缺點(diǎn)：氧化劑中必須不含有CO2。燃料中必須不含CO2電池電化學(xué)反應(yīng)生成的水必須及時(shí)排出，維持水平衡。AFC的性能優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：58磷酸鹽燃料電池（PAFC)PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池。PAFC采用重整天然氣作燃料，空氣作氧化劑，浸有濃磷酸的SiC微孔膜作電解質(zhì)，Pt/C作催化劑，工作溫度200℃。PAFC是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池。磷酸鹽燃料電池（PAFC)PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃59PAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2CH3OH+H2O→3H2+CO2陽極：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O總反應(yīng)1/2O2+2H2→H2OPAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2陽極：陰極60PAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組。PAFC的工作溫度一般為200℃左右，能量轉(zhuǎn)化率約在40%，為保證電池工作穩(wěn)定，必須連續(xù)地排除廢熱。PAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組。PAF61PAFC的冷卻系統(tǒng)水冷排熱水冷可采用沸水冷卻和加壓冷卻。沸水冷卻時(shí)，水的用量較少，而加壓冷卻則要求水的流量較大。水冷系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求高，以防止水對(duì)冷卻板材料的腐蝕。水中的重金屬含量要低于百萬分之一，氧含量要低于十億分之一空氣冷卻

采用空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定。但氣體熱容低，造成空氣循環(huán)量大，消耗動(dòng)力過大。所以氣冷僅適用于中小功率的電池組。絕緣油冷卻

采用絕緣油作冷卻劑的結(jié)構(gòu)與加壓式水冷相似，油冷系統(tǒng)可以避免

對(duì)水質(zhì)高的要求，但由于油的比熱小，流量遠(yuǎn)大于水的流量。PAFC的冷卻系統(tǒng)水冷排熱62PAFC的關(guān)鍵材料電催化劑Pt/C催化劑是PAFC常用的電極活性材料。鉑和過渡金屬（V、Cr、Co等）和合金電極結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層平整層催化層電解質(zhì)材料濃磷酸溶液隔膜材料微孔結(jié)構(gòu)隔膜，由SiC和聚四氟乙烯組成。雙極板雙極板的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)電流，使兩極導(dǎo)通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板，表面平整無滑，以利于電池各部件接觸均勻。為了減少電阻和熱阻，雙極板材料非常薄。

PAFC的關(guān)鍵材料電催化劑雙極板63PAFC應(yīng)用系統(tǒng)PAFC應(yīng)用系統(tǒng)64質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，以Pt/C或Pt-Ru/C為電催化劑，燃料

氫或凈化重整氣，氧化劑采用空氣或純氧，雙電極材料目前采用石墨或金屬。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固65PEMFC的工作原理陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O電池反應(yīng)：H2+1/2O2→H2OPEMFC的工作原理陽極反應(yīng)：66PEMFC的結(jié)構(gòu)PEMFC的結(jié)構(gòu)67PEMFC的材料關(guān)鍵材料：電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜和雙極板電催化劑材料主要以鉑為主。碳載鉑合金催化劑合金元素主要有鉑、鉻、錳、鈷和鎳等，鉑在合金元素中的比例一般在35%～65%之間。納米級(jí)顆粒Pt/C催化劑PEMFC的材料關(guān)鍵材料：電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜和雙極板68PEMFC電極的制備工藝PEMFC電極采用多孔氣體擴(kuò)散電極，由催化層和擴(kuò)散層構(gòu)成擴(kuò)散層起支撐催化層的作用，同時(shí)還有收集電流，為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道，氣體通道和排水通道等功能。催化層是電極的核心部分，電池的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化層。PEMFC電極的制備工藝PEMFC電極采用多孔氣體擴(kuò)散電極，69擴(kuò)散層的制備工藝憎水處理將原料碳紙多次浸入聚四氟乙烯（PTFE）乳液中，用稱重法記錄浸入的聚四氟乙烯乳液的量。焙燒處理在330～340℃的溫度下，焙燒浸好的碳紙，排出其中浸入的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性劑，同時(shí)使聚四氟乙烯熱熔燒結(jié)并均勻分散在碳紙的纖維上，實(shí)現(xiàn)憎水。整平處理將水或水＋乙醇的混合液作溶劑，加入炭黑與PTFE配成的質(zhì)量比為１:１的溶液，用超聲波將溶劑與溶液振蕩均勻。當(dāng)混合物靜止沉淀后，棄去上清液，取其沉降物涂到憎水處理的碳紙上，實(shí)現(xiàn)其表面平整。其它處理擴(kuò)散層的制備工藝憎水處理70催化層的制備工藝催化層的制備工藝目前可分為兩大類：經(jīng)典疏水電極催化層制備工藝薄層親水電極催化層制備工藝。催化層的制備工藝催化層的制備工藝目前可分為兩大類：71膜電極三合一組件與AFC、PAFC相比，PEMFC保持電極與膜的良好接觸要困難得多。PEMFC的膜為高分子聚合物，僅靠電池組裝力不能使電極與離子交換膜之間有良好的接觸，同時(shí)質(zhì)子導(dǎo)體也無法進(jìn)入多孔氣體電極的內(nèi)部。于是必須制備電極-膜-電極的三合一組件。具體做法是將全氟磺酸樹脂玻璃化溫度下施加一定壓力，將以加入全氟磺酸樹脂的氫電極（陽極）、隔膜(全氟磺酸型質(zhì)子交換膜)和已加入全氟磺酸樹脂的氧電極（陰極）壓和在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件，膜電極三合一組件與AFC、PAFC相比，PEMFC保72影響PEMFC性能的因素質(zhì)子交換膜的厚度不同，會(huì)造成電池內(nèi)阻的差異。研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換膜越薄，越有利于提高電極的催化活性。提高電池的操作溫度，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜內(nèi)的傳遞速度?？紤]到質(zhì)子交換膜為有機(jī)物，操作溫度通常在室溫到90℃。操作壓力為PH2/PO2的壓力比值。如果增加氣體壓力，可以改變氫、氧氣體的傳質(zhì)，影響電池的性能。同時(shí)，會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的能耗。質(zhì)子交換膜中的水含量影響電解質(zhì)膜的電導(dǎo)，膜如果失水，膜電導(dǎo)會(huì)下降。對(duì)反應(yīng)氣體增溫可以防止膜失水，以確保電池正常運(yùn)行。影響PEMFC性能的因素質(zhì)子交換膜的厚度不同，會(huì)造成電池內(nèi)阻73熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)MCFC屬高溫燃料電池，工作溫度是650~700℃。與低溫燃料電池相比，MCFC的本和效率很有競(jìng)爭(zhēng)力，概括起來有四大優(yōu)勢(shì)：①在工作溫度下，MCFC可以進(jìn)行內(nèi)部重整燃料，例如在陽極反應(yīng)室進(jìn)行甲烷的重反應(yīng)，重整反應(yīng)到所需熱量由電池反應(yīng)的余熱提供；②MCFC的工作溫度為650~700℃，其余熱可用來壓縮反應(yīng)氣體以提高電池性能，可以用于供暖；③燃料重整時(shí)產(chǎn)生的CO可以作為MCFC的燃料，且由于MCFC為高溫燃料電池，不會(huì)受到CO的中毒催化劑的威脅；④催化劑為鎳合金，不使用貴金屬。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)MCFC屬高溫燃料電池，工74MCFC的工作原理MCFC的工作原理75MCFC的工作原理MCFC的陰極反應(yīng)：O2+2CO2+4e-→2CO32-陽極反應(yīng)：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-電池反應(yīng)：O2+2H2→2H2OMCFC的工作原理MCFC的陰極反應(yīng)：76MCFC的結(jié)構(gòu)MCFC的結(jié)構(gòu)77MCFC的性能MCFC的性能78MCFC的制備工藝隔膜的制備膜主要采用偏鋁酸鋰(LiAlO2)膜，隔膜材料為L(zhǎng)iAlO2粉體。為了保證隔膜的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制LiAlO2的粒度、晶型和密度。偏鋁酸鋰隔膜的制備方法有熱壓法、電沉積法、真空鑄造法、冷熱液法和帶鑄法等。其中帶鑄法既適宜于大批量生產(chǎn)，又能保證質(zhì)量，目前廣泛被采用。MCFC的制備工藝隔膜的制備79MCFC的制備工藝陰極的制備原料選用羰基法制備的Ni粉，也可以選用高溫合成法制備的Ni-Cr合金粉（Cr的含量為8%），加入一定比例的膠黏劑、增塑劑和分散劑，用正丁醇和乙醇作溶劑調(diào)成漿料，