燃料電池課件

燃料電池課件Fuelcell燃料電池課件主要內(nèi)容1.燃料電池介紹2.質(zhì)子交換膜燃料電池材料3.堿性燃料電池材料4.磷酸型燃料電池材料5.直接醇類燃料電池材料主要內(nèi)容1.燃料電池介紹6.熔融碳酸鹽燃料電池材料7.固體氧化物燃料電池材料8.金屬/空氣燃料電池材料9.燃料電池的應(yīng)用與前景6.熔融碳酸鹽燃料電池材料1.燃料電池介紹1.燃料電池介紹

3.1.1

簡(jiǎn)介

(1)什么是燃料電池？簡(jiǎn)單地說，燃料電池1(FuelCell，簡(jiǎn)稱FC)是一種將存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。

作為一種新型化學(xué)電源，燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第四種發(fā)電方式．與火力發(fā)電相比，關(guān)鍵的區(qū)別在于燃料電池的能量轉(zhuǎn)變過程是直接方式，如圖1-1

所示．3.1.1簡(jiǎn)介傳統(tǒng)技術(shù)熱能動(dòng)能電能

燃料電池化學(xué)能圖1-1燃料電池直接發(fā)電與傳統(tǒng)間接發(fā)電的比較熱能動(dòng)能電能燃料電池化學(xué)能圖1-1燃料電池直接發(fā)燃料電池課件(2)

燃料電池發(fā)展過程中的重大事件

1839年，格羅夫發(fā)明“氣體伏打電池”，格羅夫也被稱為“燃料電池之父”；

1889年，蒙德和朗格爾改進(jìn)氫氧“氣體電池”并正式確定其名稱為“燃料電池”；

1896年，雅克研制成功第一個(gè)數(shù)百瓦（大約300瓦）的煤燃料電池；

1897年，能斯特發(fā)明“能斯特物質(zhì)”----YSZ（85%ZrO2+15%Y2O3),該物質(zhì)是目前廣泛使用的高溫固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料；

1899年，施密特發(fā)明第一個(gè)空氣擴(kuò)散電極；

1959年，培根和弗洛斯特研制成功6KW堿性燃料電池系統(tǒng),并用來驅(qū)動(dòng)叉車、圓盤鋸和電焊機(jī)；

1959年，艾麗斯-查爾莫斯公司開發(fā)出第一輛堿性燃料電池拖拉機(jī)，可以推動(dòng)3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；(2)燃料電池發(fā)展過程中的重大事件1839年，

1960年，通用電氣公司開發(fā)成功質(zhì)子交換膜燃料電池；

1962年，質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于雙子星座飛船；

1965年，堿性燃料電池用于阿波羅登月飛船；

1967年，通用汽車開發(fā)成功第一輛堿性燃料電池電動(dòng)汽車Electrovan；

1970年，科爾地什組裝了第一輛堿性燃料電池-鉛酸電池混合動(dòng)力轎車；

1972年，杜邦公司和格羅特發(fā)明了全氟磺酸質(zhì)子交換膜；

1979年，在美國(guó)紐約完成了4.5MW磷酸燃料電池電廠的測(cè)試；

1986年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）開發(fā)成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；

(2)燃料電池發(fā)展過程中的重大事件(2)燃料電池發(fā)展過程中的重大

1986年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；

1988年，第一艘堿性燃料電池潛艇在德國(guó)出現(xiàn)；

1991年，日本千葉縣的11MW磷酸燃料電池試驗(yàn)電廠達(dá)到設(shè)計(jì)功率；

1993年，巴拉德電力系統(tǒng)公司開發(fā)成功第一輛質(zhì)子交換膜燃料電池公共汽車；

1996年，美國(guó)加利福尼亞州的2MW熔融碳酸鹽燃料電池試驗(yàn)電廠開始供電；

-----------(2)燃料電池發(fā)展過程中的重大事件1986年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功第一輛3.1.2燃料電池的構(gòu)造燃料電池陰極陽極

電解質(zhì)3.1.2燃料電池的構(gòu)造燃料電池陰極陽極電解質(zhì)

典型的燃料電池的構(gòu)造如右下圖所示．在陽極（負(fù)極）上連續(xù)吹充氣態(tài)燃料，如2氫氣．在陰極（正極）上連續(xù)吹充氧氣（或由空氣提供），這樣就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流．由于電極上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，

為提高反應(yīng)速率，電極

一般采用多孔材料．各

種燃料電池的材料也都

有各自的特點(diǎn)．

燃料電池的基本反應(yīng)燃料電池的基本反應(yīng)3.1.3燃料電池(FuelCell)與電池（Battery)的區(qū)別（1）相同點(diǎn)：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，有許多相似之處。（2）不同點(diǎn)：燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置

電池是能量?jī)?chǔ)存裝置。

3.1.3燃料電池(FuelCell)與電池（Batte

一次電池：化學(xué)能儲(chǔ)存在電池物質(zhì)中,當(dāng)電池放電電時(shí),電池物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直到反應(yīng)物質(zhì)全部反應(yīng)消耗完畢，電池就再也發(fā)不出電了．所以原電池所發(fā)出的最大電能等于參與電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)完全反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的電能．

二次電池：利用外部供給的電能，使電池反應(yīng)向逆方向進(jìn)行，再生成電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)．從能量角度看，就是將外部能量充給電池，使其再發(fā)電，實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用的功能．燃料電池：從理論上講,只要不斷向其供給燃料

(陽極反應(yīng)物質(zhì)，如H2),及氧化劑(陰極反應(yīng)物質(zhì)，如O23)，就可以連續(xù)不斷地發(fā)電,因而其容量是無限的.實(shí)際上，由于元件老化和故障等原因，燃料電池有一定的壽命．

嚴(yán)格地講，燃料電池是電化學(xué)能量發(fā)生器，是以化學(xué)反應(yīng)發(fā)電；一次電池是電化學(xué)能量生產(chǎn)裝置，可一次性將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能；二次電池是電化學(xué)能量的儲(chǔ)存裝置，可將化學(xué)反應(yīng)能與電能可逆轉(zhuǎn)換。

3.1.4

燃料電池的工作原理

雖然燃料電池的種類很多并且不同類型的燃料電池的電極反應(yīng)各有不同，但都是由陰極﹑陽極﹑電解質(zhì)這幾個(gè)基本單元構(gòu)成，其工作原理是一致的。

3.1.4燃料電池的工作原理雖然燃料電池的

燃料氣（氫氣﹑甲烷等）在陽極催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成陽離子并給出自由電子；氧化物（通常為氧氣）在陰極催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子并產(chǎn)生陰離子；陽極產(chǎn)生的陽離子或者陰極產(chǎn)生的陰離子通過質(zhì)子導(dǎo)電而電子絕緣的電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)到相對(duì)應(yīng)的另外一個(gè)電極上，生成反應(yīng)產(chǎn)物并隨未反應(yīng)完全的反應(yīng)物一起排到電池外，與此同時(shí)，電子通過外電路由陽極運(yùn)動(dòng)到陰極，使整個(gè)反應(yīng)過程達(dá)到物質(zhì)的平衡與電荷的平衡，外部用電器就獲得了燃料電池所提供的電能。燃料電池課件

下面以簡(jiǎn)單的酸性電解質(zhì)氫氧燃料電池為例說明燃料電池的工作原理。

氫氣作為燃料被通入燃料電池的陽極，發(fā)生如下氧化電極反應(yīng)

H2+2H2O2H3O++2e-

氫氣在催化劑上被氧化成質(zhì)子，與水分子結(jié)合成水合質(zhì)子，同時(shí)釋放出兩個(gè)自由電子。

電子通過電子導(dǎo)電的陽極向陰極方向運(yùn)動(dòng)，而水合質(zhì)子則通過酸性電解質(zhì)往陰極方向傳遞。在陰極上，氧氣在電極上被還原，發(fā)生如下電極反應(yīng)

O2+4H3O++4e-6H2O

氧氣分子在催化劑的作用下，結(jié)合從電解質(zhì)傳遞過來的水合質(zhì)子以及外電路傳遞過來的電子，生成水分子?？偟碾姵胤磻?yīng)為：

2H2+O22H2O下面以簡(jiǎn)單的酸性電解質(zhì)氫氧燃料電池為例說明燃料電

從此可以看出，燃料電池是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化裝置，只要外界源源不斷地提供燃料和氧化劑，燃料電池就能持續(xù)發(fā)電。

從根本上講，燃料電池與普通一次電池一樣，是使電化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)電極半反應(yīng)分別在陰極和陽極上發(fā)生，從而在外電路產(chǎn)生電流來發(fā)電的。所不同的是，普通一次電池，例如鋅錳電池，是一個(gè)封閉體系，與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換。換句話說，電池本身既作為能量的轉(zhuǎn)換場(chǎng)所也同時(shí)作為電極物質(zhì)的儲(chǔ)存容器，從此可以看出，燃料電池是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化

當(dāng)反應(yīng)物消耗完時(shí)電池也就不能繼續(xù)提供電能了。而燃料電池是一個(gè)敞開體系，與外界不僅有能量的交換，也存在物質(zhì)的交換。外界為燃料電池提供反應(yīng)所需的物質(zhì)，并帶走反應(yīng)產(chǎn)物。從這種意義上講，某些類型的電池也具有類似燃料電池的特征，例如鋅空電池，空氣4由大氣提供，不

斷更換鋅電極可以使電池持續(xù)工作。

當(dāng)反應(yīng)物消耗完時(shí)電池也就不能繼續(xù)提供電能了。而燃3.1.5燃料電池的類型和各類型的特點(diǎn)

燃料電池的種類很多，分類方法也有多種。表5-1的分類方式概括了所有類型的燃料電池。3.1.5燃料電池的類型和各類型的特點(diǎn)表5-1燃料電池分類

直接型

間接型

再生型（產(chǎn)物再生為反應(yīng)物）

低溫(200℃)

中溫(200～750℃)

高溫(750℃)重整型生化型氫-氧有機(jī)物-氧氮化物-氧金屬-氧氫-鹵素金屬-鹵素氫-氧有機(jī)物-氧氨-氧氫-氧CO-氧天然氣石油甲醇乙醇煤氨葡萄糖碳水化合物尿素?zé)嵩偕潆娫偕饣瘜W(xué)再生放射化學(xué)再生表5-1燃料電池分類燃料電池堿性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）H2/O2質(zhì)子交換膜燃料電池直接甲醇燃料電池（DMFC）燃?jí)A性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃表5-2

五種燃料電池特點(diǎn)

種類AFCPAFCMCFCSOFC

PEMFC電解質(zhì)電解質(zhì)KOHH3PO4LiCO3,K2CO3ZrO2+Y2O3離子交換膜（特別是陽離子交換膜）工作溫度范圍低于260190～210600～700約1000

約85

腐蝕性

中

強(qiáng)

強(qiáng)

無

無氧化劑純氧空氣極板材料鎳石墨鎳，不銹鋼陶瓷石墨，金屬表5-2五種燃料電池特點(diǎn)種類AFCPAFCMC

種類

AFC

PAFC

MCFC

SOFCPEMFC催化劑陽/陰極鎳/銀系鉑系鎳/氧化鎳鎳LaMnO3或LaCoO3鉑系燃料電解純氫天然氣，輕質(zhì)油，甲醇等重整氣天然氣，甲醇等重整氣，煤氣天然氣，甲醇，煤氣天然氣，甲醇等重整氣發(fā)電效率45～5040～4550～6555～7030～40表5-2

五種燃料電池特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)啟動(dòng)快；室溫常壓下工作對(duì)CO2不敏感；成本相對(duì)較低空氣做氧化劑、天然氣或甲烷做燃料空氣做氧化劑、天然氣或甲烷做燃料空氣做氧化劑；固體電解質(zhì)；室溫工作；啟動(dòng)迅速種類AFCPAFCMCFCSOFCPE種類

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

PEMFC可應(yīng)用領(lǐng)域航天，特殊地面，廣泛特殊需求，區(qū)域供電區(qū)域供電，聯(lián)合發(fā)電區(qū)域供電電汽車，潛艇，可移動(dòng)動(dòng)力源缺點(diǎn)需以純氧做氧化劑；成本高對(duì)CO敏感；啟動(dòng)慢；成本高工作溫度較高工作溫度過高對(duì)CO非常敏感；反應(yīng)物需要加濕表5-2

五種燃料電池特點(diǎn)種類AFCPAFCMCFCSOFCPEM燃料電池工作溫度低溫燃料電池

高溫燃料電池

AFCPEMFC

PAFCMCFCSOFC

燃工作低溫燃料電池高溫燃料電池AFCPEMFCPAF幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池燃料是液態(tài)的甲醇，發(fā)展迅速，商業(yè)潛力大幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池以氫為基礎(chǔ)的利用可再生能源的閉合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池唯一使用固體燃料的燃料電池幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電3.1.6

燃料電池的特性

特性優(yōu)點(diǎn)存在問題燃料來源廣泛高效率可靠性高良好的環(huán)境效應(yīng)良好的操作性能靈活性高發(fā)展?jié)摿Υ?.1.6燃料電池的特性特優(yōu)點(diǎn)存在燃料來源廣泛高效率可靠(1)高效率

在燃料電池中,燃料不是被燃燒變?yōu)闊崮?而是直接發(fā)電,不受卡諾熱機(jī)效率的限制。理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱，實(shí)際效率可望在80%以上

。這樣的高效率是史無前例的。(1)高效率燃料電池課件

燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，因而在保持高燃料效率時(shí)，燃料電池可在其半額定功率下運(yùn)行。

封閉體系蓄電池與外界沒有物質(zhì)的交換,比能量不會(huì)隨時(shí)間變化,但是燃料電池由于不斷補(bǔ)充燃料,隨著時(shí)間延長(zhǎng),其輸出能量也越多。

燃料電池發(fā)電廠可設(shè)在用戶附近，這樣可大大減少傳輸費(fèi)用及傳輸損失。燃料電池的另一個(gè)特點(diǎn)是在其發(fā)電的同時(shí)可產(chǎn)生熱水和蒸汽。其電熱輸出比約為1.0，而汽輪機(jī)為0.5。這表明在相同的電負(fù)荷下，燃料電池的熱載為燃燒發(fā)電機(jī)的2倍。

燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，因而在保持高燃料效率（2）可靠性

與燃燒渦輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池的轉(zhuǎn)動(dòng)部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠；電池組合是模塊結(jié)構(gòu),維修方便；處于額定功率以上過載運(yùn)行時(shí),它也能承受而效率變化不大；當(dāng)負(fù)載有變化時(shí),它的響應(yīng)速度也快。燃料電池系統(tǒng)發(fā)生的惟一事故就是效率降低。（3）良好的環(huán)境效益

當(dāng)今世界的環(huán)境問題已經(jīng)威脅到了人類的生存和發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本世紀(jì)經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但是因?yàn)榄h(huán)境污染造成的死亡人數(shù)卻超過了戰(zhàn)爭(zhēng)的死亡人數(shù)。而環(huán)境污染的發(fā)生，大多數(shù)是由于燃料的使用，尤其是各種燃料的燃燒過程。因而，解決環(huán)境問題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源結(jié)構(gòu)問題，研究開發(fā)清潔能源技術(shù)。而燃料電池正是符合這一環(huán)境需求的高效潔凈能源。（2）可靠性

燃料電池發(fā)電廠排放的氣體污染物僅為最嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的十分之一，溫室氣體CO2的排放量也遠(yuǎn)小于火力發(fā)電廠。燃料電池中燃料的電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物是水，其量極少，而且比一般火力發(fā)電廠排放的要清潔得多。因而，燃料電池不僅消除或減少了水污染問題，也無需設(shè)置廢氣控制系統(tǒng)。燃料電池發(fā)電廠沒有火力發(fā)電廠那樣的噪聲源，因而工作環(huán)境非常安靜；不產(chǎn)生大量廢棄物，因而占地面積也少。燃料電池是各種能量轉(zhuǎn)換裝置中危險(xiǎn)性最小的。這是因?yàn)樗?guī)模小，無燃燒循環(huán)系統(tǒng)，污染物排放量極少。燃料電池發(fā)電廠排放的氣體污染物僅為最嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)燃料電池課件

燃料電池的環(huán)境友好性是使其具有極強(qiáng)生命力和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展?jié)摿Φ闹饕颉?/p>

（4）良好的操作性能

燃料電池具有其它技術(shù)無可比擬的優(yōu)良的操作性能，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。其發(fā)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變動(dòng)的響應(yīng)速度快，無論處于額定功率以上的過載運(yùn)行或低于額定功率的低載運(yùn)行，它都能承受，并且發(fā)電效率波動(dòng)不大，供電穩(wěn)定性高。

（5）靈活性

燃料電池發(fā)電廠可在2年內(nèi)建成投產(chǎn)，其效率與規(guī)模無關(guān)，可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量。這對(duì)電力公司和用戶來說是最關(guān)鍵的因素及經(jīng)濟(jì)利益所在。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是全自動(dòng)運(yùn)行，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件很少維護(hù)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，適合用做偏遠(yuǎn)地區(qū)﹑環(huán)境惡劣以及特殊場(chǎng)合（如空間站和航天飛機(jī)）的電源。燃料電池的環(huán)境友好性是使其具有極強(qiáng)生命力和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)

燃料電池電站采用模塊結(jié)構(gòu)，由工廠生產(chǎn)各種模塊，在電站現(xiàn)場(chǎng)集成，安裝，施工簡(jiǎn)單，可靠性高，并且模塊容易更換，維修方便。（6）燃料來源廣泛

燃料電池可以使用多種初級(jí)燃料，如天然氣﹑煤氣﹑甲醇﹑乙醇﹑汽油，也可以使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤﹑廢木﹑廢紙，甚至城市垃圾，當(dāng)然這些燃料需經(jīng)過重整處理后才能使用。（7）發(fā)展?jié)摿?/p>

燃料電池在效率上的突破，使其可與所有的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。作為正在發(fā)展的技術(shù)，磷酸燃料電池已有了令人鼓舞的進(jìn)展。熔鹽碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，將在未來15～20年內(nèi)產(chǎn)生飛躍性進(jìn)步。而其它傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，如汽輪機(jī)﹑內(nèi)燃機(jī)等，由于價(jià)格﹑污染等問題，其發(fā)展似乎走到了盡頭。燃料電池電站采用模塊結(jié)構(gòu)，由工廠生產(chǎn)各種模塊，在3.1.6

燃料電池的特性

特性優(yōu)點(diǎn)存在問題市場(chǎng)價(jià)格昂貴高溫時(shí)壽命及穩(wěn)定性不理想燃料電池技術(shù)不夠普及沒有完善的燃料供應(yīng)體系3.1.6燃料電池的特性特優(yōu)點(diǎn)存在市場(chǎng)價(jià)格昂貴高溫時(shí)壽命3.1.7燃料電池的應(yīng)用

燃料電池可以作為宇宙飛船，人造衛(wèi)星，宇宙空間站等航天系統(tǒng)的能源，也可以用于并網(wǎng)發(fā)電的高效電站；它可以作為大型廠礦的獨(dú)立供電系統(tǒng)，也可作為城市工業(yè)區(qū)，繁華商業(yè)區(qū)，高層建筑物，邊遠(yuǎn)地區(qū)和孤立海島的小型供電站，此外，它還能用于大型通信設(shè)備和家庭的備用電源以及交通工具的牽引動(dòng)力等。

3.1.7燃料電池的應(yīng)用燃料電池可以

五種燃料電池各自處于不同的發(fā)展階段。

AFC是最成熟的燃料電池技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域主要在空間技術(shù)方面。在歐洲，AFC在陸地上的應(yīng)用一直沒有間斷。

PAFC試驗(yàn)電廠的功率達(dá)到1.3～11MW，50～250KW的工作電站已進(jìn)入商業(yè)化階段，但成本較高。

MCFC和SOFC被認(rèn)為最適合供發(fā)電，MCFC試驗(yàn)電廠的功率達(dá)到MW級(jí)，幾十至250KW工作電站接近商業(yè)化。SOFC的研究開發(fā)仍處于起步階段，功率小于100KW。

PEMFC在90年代發(fā)展很快，特別是作為便攜式電源和機(jī)動(dòng)車電源，但目前的成本太高，還無法與傳統(tǒng)電源競(jìng)爭(zhēng)。

五種燃料電池各自處于不同的發(fā)展階段。應(yīng)用方面可移動(dòng)電源便攜式電源航空電源應(yīng)急電源計(jì)算機(jī)電源電動(dòng)車電動(dòng)船居民熱電聯(lián)供現(xiàn)場(chǎng)熱電聯(lián)供分散式電站大型發(fā)電站幾瓦～1KW5～200KW200KW～1MW2～20MW100-300MW應(yīng)用方面可移動(dòng)電源便攜式電源航空電源應(yīng)急電源計(jì)算機(jī)電源電動(dòng)車3.1.8燃料電池待開發(fā)的課題

燃料電池還沒有定型，人們改進(jìn)燃料電池的熱情一

直未減。新型直接甲醇燃料電池，高溫質(zhì)子交換膜燃料

電池，低溫固體氧化物燃料電池和微型燃料電池正在發(fā)

展中，新技術(shù)﹑新材料﹑新工藝不斷涌現(xiàn)。燃料電池的

發(fā)展目標(biāo)必須定位在投資成本能與其它發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)，

而不是只是依靠高效率﹑低排放﹑安裝維護(hù)簡(jiǎn)單﹑可靠

性好﹑長(zhǎng)壽命﹑低污染﹑適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)去影響市場(chǎng)。待開發(fā)的課題具體見表8-1。3.1.8燃料電池待開發(fā)的課題燃料電池還沒有定表8-1

燃料電池待開發(fā)的課題種類

AFC

PAFC

MCFCSOFC

PEMFC待開發(fā)的課題氧化劑中的CO2使電解液劣化；水和熱平衡控制；純氫燃料利用技術(shù)的改進(jìn)廉價(jià)催化劑的開發(fā)或鉑使用量的降低；延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，降低成本提高工作壓力；提高輸出電流密度；延長(zhǎng)電堆壽命，降低成本改善電池結(jié)構(gòu)；優(yōu)質(zhì)耐熱材料；電解質(zhì)薄膜化提高電堆材料的性能和壽命；開發(fā)大批量制作技術(shù)；電池?zé)崃亢退墓芾?；降低鉑使用量表8-1燃料電池待開發(fā)的課題種類AFCPAFC2.質(zhì)子交換膜燃料電池材料2.質(zhì)子交換膜燃料電池材料關(guān)鍵部件雙極板膜電極質(zhì)子交換膜電催化劑關(guān)鍵部件雙極板膜電極質(zhì)子交換膜電催化劑

(1)概念

起支撐、集流、分割氧化劑與還原劑作用并引導(dǎo)氧化劑和還原劑在電池內(nèi)電極表面流動(dòng)的導(dǎo)電隔板通稱為雙極板。3.2.1

雙極板(1)概念3.2.1雙極板（2）雙極板的功能與特點(diǎn)功能特點(diǎn)分割氧化劑與還原劑集流作用支撐膜電極、保持電池堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不能用多孔透氣材料電的良導(dǎo)體具有一定的強(qiáng)度適應(yīng)電池的工作環(huán)境，具有抗腐蝕能力熱的良導(dǎo)體（2）雙極板的功能與特點(diǎn)功特分割氧化劑集流作用支撐膜電極、不(3)

雙極板的種類廣泛采用石墨板金屬板復(fù)合雙極板(3)雙極板的種類廣石墨板金屬板復(fù)合雙極板（a）石墨板石墨板無孔石墨板注塑石墨板（a）石墨板石無孔石墨板注塑石墨板無孔石墨板的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)化學(xué)穩(wěn)定性好電導(dǎo)率高阻氣性能好缺點(diǎn)：比較脆，機(jī)械加工加大難度，成本提高。無孔石墨板的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)化學(xué)穩(wěn)定性好電導(dǎo)率高阻氣性能好缺點(diǎn)：比

加拿大Ballard公司所發(fā)展的Mark500(5KW)、Mark513(10KW)和Mark700(25-30KW)電池組均采用無孔純石墨雙極板。加拿大Ballard公司所發(fā)展注塑石墨板

主要采用石墨粉或炭粉與樹脂（酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）、導(dǎo)電膠黏劑相混合，有的還在混合物中加入金屬粉末、細(xì)金屬網(wǎng)以增加其導(dǎo)電性，加入碳纖維、陶瓷纖維以增加其強(qiáng)度。優(yōu)點(diǎn)：降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期。

Emanuelson將純石墨粉和炭化熱固化樹脂各50%混合注塑成所需的雙極板，然后石墨化，得到3.8mm厚的石墨板，電阻率和純石墨相比提高了約10倍，比較適合用于磷酸鹽燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。該雙極板化學(xué)穩(wěn)定性好，降低了機(jī)加工費(fèi)用。注塑石墨板主要采用石墨粉或炭粉與樹脂（酚醛樹脂、環(huán)氧樹（b）金屬板優(yōu)點(diǎn)好的導(dǎo)電及熱傳導(dǎo)性能金屬的氣體不透過性使其成為阻隔氧化劑和還原劑的理想材料金屬材料良好的機(jī)加工性能使得流場(chǎng)的加工非常簡(jiǎn)單（b）金屬板優(yōu)點(diǎn)好的導(dǎo)電及熱傳導(dǎo)性能金屬的氣體不透過性使其成常用的金屬雙極板鋁316#不銹鋼23鈦5鎳常用的金鋁316#不銹鋼23鈦5鎳金屬板的制作極板成型表面處理表面涂層金屬板極板成型表面處理表面涂層金屬板的缺點(diǎn)

缺點(diǎn)：金屬材料耐腐蝕性能比較差，滿足不了燃料電池長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需要，表面鈍化會(huì)導(dǎo)致雙極板和膜電阻擴(kuò)散層接觸電阻增大，降低燃料電池輸出功率。金屬板的缺點(diǎn)缺點(diǎn)：金屬材料耐腐蝕性能比較差（c）復(fù)合雙極板復(fù)合雙極板金屬基復(fù)合雙極板碳基復(fù)合材料雙極板（c）復(fù)合雙極板復(fù)合雙金屬基復(fù)合雙極板碳基復(fù)合材料雙極板美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了金屬基復(fù)合雙極板，該金屬基復(fù)合雙極板綜合了多孔石墨、聚碳酸酯塑料和不銹鋼等材料的優(yōu)點(diǎn)。這種復(fù)合材料穩(wěn)定性好，成本低。美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和EnergyPartners公司將石墨粉與熱塑性樹脂均勻混合，有時(shí)還需要加入催化劑、阻滯劑、脫模劑和增強(qiáng)劑，在一定溫度下模壓成型。該材料具有制作工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低及易于規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了金屬基復(fù)合雙極板，該3.2.2質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是PEMFC的核心元件。燃料電池用的質(zhì)子交換膜的基本要求為：（1）電導(dǎo)率高（高選擇性地離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)電）（2）化學(xué)穩(wěn)定性好（耐酸堿和抗氧化還原能力）（3）熱穩(wěn)定性好（4）良好的力學(xué)性能（如強(qiáng)度和柔韌性）（5）反應(yīng)氣體的透氣率低（6）水的電滲曳引系數(shù)?。?）作為反應(yīng)介質(zhì)要有利于電極反應(yīng)

（8）價(jià)格低廉3.2.2質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是PEMFC種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸最初嘗試，該膜很脆，干燥時(shí)易龜裂種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸最初嘗試，該膜很脆，干種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸較成功，60℃下使用壽命為200小時(shí)種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸較成功，60℃種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸即Nafion系列產(chǎn)品，化學(xué)穩(wěn)定性非常好，在燃料電池中使用壽命超過57000小時(shí)種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸即Nafion系列產(chǎn)品種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸（1）全氟磺酸膜這種膜的結(jié)構(gòu)頗似聚四氟乙烯（PTFE），因此具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，尤其是在強(qiáng)氧化還原條件下。和磷酸電解質(zhì)相比，該膜是一種較為理想的電化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)。貴金屬催化劑在該介質(zhì)中對(duì)氧化還原反應(yīng)的催化活性比較高。在低濕度或高溫條件下因?yàn)槿彼畬?dǎo)致電導(dǎo)率低。（1）全氟磺酸膜涉及問題水管理問題全氟型磺酸膜具有很高的質(zhì)子電導(dǎo)率，但質(zhì)子是以水合離子的形式存在的一氧化碳的中毒效應(yīng)及燃料的選擇冷卻和熱的回收問題涉及問題水管理問題全氟型磺酸膜具有很高的質(zhì)子電導(dǎo)率，但質(zhì)缺點(diǎn)制作困難、成本高對(duì)溫度和含水量要求高，最佳工作溫度為70-90℃，超過此溫度會(huì)使其含水量急劇下降，導(dǎo)電性迅速下降某些碳?xì)浠衔铮缂状嫉葷B透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池的質(zhì)子交換膜缺點(diǎn)制作困難、成本高（2）全氟型磺酸膜的改性水平衡涉及到的機(jī)理：通過加濕反應(yīng)氣體帶入的水分在電極一側(cè)有電化學(xué)反應(yīng)生成的水在電場(chǎng)作用下水從陽極向陰極的電滲傳輸在濃差作用下水從陰極向陽極的擴(kuò)散陰極空氣尾氣帶走的水分（2）全氟型磺酸膜的改性水平衡涉及到的機(jī)理：減少膜的厚度以有利于水的擴(kuò)散在膜中摻雜吸水性的氧化物納米級(jí)顆粒或固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體顆粒減少膜的厚度以有利于水的擴(kuò)散用非水或低揮發(fā)性溶劑溶脹的全氟性磺酸膜早在1994年Savinell等嘗試用磷酸處理Nafion膜，在150℃下得到的電導(dǎo)率為0.05S/cm。但是組裝電池沒有成功，不過提供了一條很好的思路。Doyle等采用3-甲基三氟咪唑和3-甲基三氟硼酸鹽來溶脹全氟型磺酸膜，在180℃下得到的電導(dǎo)率達(dá)到0.1S/cm。另一種最有可能代替水的有機(jī)溶劑是雜環(huán)化合物，如咪唑、吡唑或苯并咪唑等。Kreuer等向硫酸中加入雜環(huán)化合物后發(fā)現(xiàn)濃度為100%的硫酸溶液的電導(dǎo)有顯著增加。Sun等制備了咪唑和咪唑鹽溶液溶脹的無水Nafion膜，在100℃下的無水電導(dǎo)率為10-3S/cm.用非水或低揮發(fā)性溶劑溶脹的全氟性磺酸膜早在1994年Savi含聚四氟乙烯的超薄膜超薄膜的優(yōu)點(diǎn)減小膜的比電阻降低材料成本改善水在膜中的傳輸和分布但技術(shù)上的難點(diǎn)是超薄膜的機(jī)械強(qiáng)度低，尤其是水溶脹和高溫條件下。含聚四氟乙烯的超薄膜超薄膜減小膜的比電阻降低材料成本改善水在近年來，用多孔聚四氟乙烯加強(qiáng)的復(fù)合膜，把這種愿望變成現(xiàn)實(shí)。對(duì)采用多孔聚丙烯、膨脹的聚四氟乙烯、聚砜和微玻璃纖維絨等復(fù)合膜也進(jìn)行了初步的探索。這些強(qiáng)化膜可以做到5-30μm厚，且具有良好的導(dǎo)電和力學(xué)性能。因?yàn)槟け。畯年帢O到陽極的反擴(kuò)散得到加強(qiáng)，水的管理以及膜的平均電導(dǎo)得到改善。近年來，用多孔聚四氟乙烯加強(qiáng)的復(fù)合膜，把這種愿望變成現(xiàn)實(shí)。含有吸濕性氧化物的復(fù)合膜將全氟型磺酸膜改性的另一有效方法是二次澆注含有吸濕性氧化物如SiO2和TiO2等的復(fù)合膜。實(shí)驗(yàn)表明，含有這些氧化物的復(fù)合膜的吸水性高于一般的Nafion膜。對(duì)于二次澆注成膜并經(jīng)過80℃干燥處理過的Nafion膜，在60℃下的水蒸氣中可以吸水17%（質(zhì)量),而含有3%（質(zhì)量）尺寸為7nm的SiO2顆粒的復(fù)合膜，其吸水性則為43%（質(zhì)量）。開發(fā)這樣改性膜的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是為了實(shí)現(xiàn)低溫電池運(yùn)行時(shí)的內(nèi)加濕或稱自加濕技術(shù)。后來采用這種復(fù)合膜也實(shí)現(xiàn)了電池的高溫運(yùn)轉(zhuǎn)。該法的功能是單一的，即改善水的保持。含有吸濕性氧化物的復(fù)合膜將全氟型磺酸膜改性的另一有效方法是含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體質(zhì)子導(dǎo)體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體質(zhì)子導(dǎo)體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽具有很好的質(zhì)子交換能力，有α、γ兩類層狀結(jié)構(gòu)化合物，300℃的溫度范圍內(nèi)具有很好的質(zhì)子導(dǎo)電能力含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽具有含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體質(zhì)子導(dǎo)體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽其晶體結(jié)構(gòu)中有29個(gè)結(jié)晶水，具有很高的質(zhì)子電導(dǎo)率，近年來更大的研究興趣是用于復(fù)合膜的開發(fā)含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽其含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體質(zhì)子導(dǎo)體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽MHXO4,M是大尺寸的金屬質(zhì)點(diǎn)，如Rb,Cs24或者NH4+,X是S、Se、P或As。含有固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體的復(fù)合膜無機(jī)固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽MH

CsHSO4隨溫度升高，經(jīng)過多步的相變，在溫度高于141℃時(shí)，其氫鍵處于動(dòng)態(tài)無序的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，因此具有較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，可達(dá)10-2S/cm數(shù)量級(jí)。具有較高的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，且其電導(dǎo)率和周圍氣氛中的相對(duì)濕度無關(guān)。對(duì)它研究更多的努力是制作燃料電池的復(fù)合膜。CsHSO4隨溫度升高，經(jīng)過多步含固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體復(fù)合膜的制備制備方法將單一或多元的無機(jī)組分，例如雜多酸直接混入高分子溶液中進(jìn)行二次澆注通過離子交換－沉淀的方法將磷酸鋯引進(jìn)到全氟型磺酸膜中含固體無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體復(fù)合膜的制備制備將單一或多元的無機(jī)組分，因?yàn)槠溆H水性，這些無機(jī)組分的存在將降低膜中水的化學(xué)勢(shì)，為質(zhì)子的傳輸提供額外的動(dòng)力。同時(shí)，還為水提供了新的形成氫鍵的位置，從而改善膜的水合程度并減少水的揮發(fā)和遷移損失。這樣的復(fù)合膜可以實(shí)現(xiàn)低濕和/或高溫下電池的運(yùn)行。Staiti等用二氧化硅支持的磷鎢酸與Nafion的混合溶液澆注的復(fù)合膜，在145℃下進(jìn)行了直接甲醇燃料電池試驗(yàn)，得到的最大功率為400mW/cm2(氧氣）和250mW/cm2(空氣）。Yang等制備了Nafion115-磷酸鋯復(fù)合膜，在150℃下的直接甲醇電池試驗(yàn)，得到了最大功率為380mW/cm2(氧氣）和260mW/cm2(空氣）。因?yàn)槠溆H水性，這些無機(jī)組分的存在將降低膜中水的化學(xué)勢(shì)，為質(zhì)子（3）非全氟磺酸膜及其復(fù)合膜

近年來對(duì)非全氟的、特別是磺化的碳?xì)涓叻肿幽さ拈_發(fā)研究工作非常活躍。（3）非全氟磺酸膜及其復(fù)合膜近非全氟高分子材料的類型含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳?xì)浠衔锓侨叻肿雍叻肿硬牧暇酃柩跬榉枷阕甯叻肿犹細(xì)浠衔顲-HC-CC-F350-435350-410485幾個(gè)鍵的鍵能（kJ/mol)

因此含有C-F鍵的高分子材料具有良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，例如聚四氟乙烯。C-HC-CC-F350-435350-410485幾個(gè)鍵的聚四氟乙烯-六氟丙烯（FEP)膜的研究工作主要是瑞士Scherer教授的研究組進(jìn)行的。FEP膜首先經(jīng)輻射處理，然后以聯(lián)乙烯苯為交聯(lián)劑，將苯乙烯基團(tuán)連接上去，最后通過磺化芳香基團(tuán)使其成為質(zhì)子導(dǎo)體。最近報(bào)道，采用這種膜在85℃實(shí)現(xiàn)了電池運(yùn)行壽命5000h以上。聚偏二氟乙烯（PVDF)的主要研究工作是芬蘭的Sundholm教授的研究組進(jìn)行的。通過把物理化學(xué)穩(wěn)定性好的PVDF和電導(dǎo)率高的磺化聚苯乙烯結(jié)合，得到的膜具有較好的吸水性和較高的電導(dǎo)率。聚四氟乙烯-六氟丙烯（FEP)膜的研究工作主要是瑞士Sche非全氟高分子材料的類型含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳?xì)浠衔锓侨叻肿雍叻肿硬牧暇酃柩跬榉枷阕甯叻肿犹細(xì)浠衔颯i-O鍵的鍵能為445kJ/mol,略高于C-H鍵和C-C鍵。一般地，無機(jī)Si-O網(wǎng)絡(luò)是在高溫下形成的。用芳基磺酸或烷基磺酸化的苯環(huán)，得到的聚苯磺酸硅氧烷，室溫電導(dǎo)率為10-2S/cm,且在200℃以下具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及透明性。Si-O鍵的鍵能為445kJ/mol,略高于C-H鍵和C-C非全氟高分子材料的類型含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳?xì)浠衔锓侨叻肿雍叻肿硬牧暇酃柩跬榉枷阕甯叻肿犹細(xì)浠衔锓枷愀叻肿犹細(xì)浠衔镆话阏f來價(jià)格低廉。從化學(xué)角度，其具有良好的抗氧化能力，因?yàn)楸江h(huán)中的C-H鍵的鍵能為435kJ/mol,高于線性C-H鍵的鍵能（350kJ/mol).完全由苯環(huán)構(gòu)成的高分子材料如聚對(duì)亞苯具有非常好的抗氧化性能和高于500℃的軟化溫度，但缺少柔韌性且難以加工成型。所以較多的是在苯環(huán)鏈上帶有一個(gè)或多個(gè)使其柔韌化的原子或原子團(tuán)。聚苯硫醚（PPS)帶有硫原子，聚苯醚(PPO)中帶有氧原子。PPS一般呈晶體，熔化溫度為285℃，在連續(xù)使用溫度200℃以上具有很好的抗氧化性能。PPO中的-C-O-C-鏈本身具有良好的柔韌性和抗氧化性能。芳香高分子碳?xì)浠衔镆话阏f來價(jià)格低廉。從化學(xué)角度，其具有良好

為了得到質(zhì)子導(dǎo)電能力，一般將高分子碳?xì)浠衔镞M(jìn)行后功能化處理，即通過化學(xué)反應(yīng)將一個(gè)陰離子基團(tuán)，最典型的是磺酸基（-SO3-)引進(jìn)到碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)中。為了得到質(zhì)子導(dǎo)電能力，一般將高分子非全氟高分子材料的磺化利用濃硫酸、氯磺酸，三氧化硫或其與三乙基磷酸鹽的絡(luò)合物進(jìn)行直接磺化。鋰化-亞磺酸化-再氧化法。把一個(gè)含有磺酸的基團(tuán)通過化學(xué)反應(yīng)嫁接到高分子鏈上。經(jīng)輻射處理和交聯(lián)聯(lián)接，再磺化芳香基團(tuán)。采用帶有磺酸基團(tuán)的單體進(jìn)行合成。非全氟高分子材料的磺化利用濃硫酸、氯磺酸，三氧化硫或其與三乙廣泛研究的磺化體系廣泛研究體系聚砜或聚乙烯砜聚苯并咪唑

聚酰亞胺聚對(duì)亞苯聚苯硫醚聚苯醚聚4-苯氧苯甲?；?1，4-亞苯廣泛研究的磺化體系廣泛研究體系聚砜或聚乙烯砜聚苯并咪唑聚酰非全氟性磺酸膜的性質(zhì)及應(yīng)用對(duì)于非全氟性磺酸膜，特別是高分子碳?xì)淠?，碳?xì)渲麈湹氖杷砸约盎撬峄鶊F(tuán)的酸性和極性卻相對(duì)較弱，所以水分子可以相對(duì)較好的分散在碳?xì)淠さ募{米結(jié)構(gòu)中。對(duì)于大多數(shù)碳?xì)淠碚f，在相對(duì)濕度很高（接近100%）時(shí)，其吸水能力遠(yuǎn)低于全氟性磺酸膜，而在低濕度范圍內(nèi)，其吸水能力與全氟性磺酸膜接近。用烷基磺酸磺化時(shí)，烷基鏈以及支鏈的長(zhǎng)度能夠顯著影響膜的吸水性、電導(dǎo)率、電導(dǎo)率對(duì)溫度的依賴關(guān)系和熱穩(wěn)定性等。高的電導(dǎo)率可以通過磺化度來獲得，但高磺化度會(huì)導(dǎo)致膜的溶脹加劇，并因此將地膜的機(jī)械強(qiáng)度，特別是在較高的使用溫度下。解決該問題的方法目前有兩種：加強(qiáng)聚合物的交聯(lián)和制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜。非全氟性磺酸膜的性質(zhì)及應(yīng)用對(duì)于非全氟性磺酸膜，特別是高分子碳磺化膜的熱穩(wěn)定性主要受磺酸基團(tuán)分解的局限。對(duì)于大多數(shù)非全氟性磺酸膜，膜中的磺酸基團(tuán)在空氣中可以穩(wěn)定存在到280℃左右。在燃料電池的陰極電極反應(yīng)過程中生成的H2O2一極-OH或/和-OOH自由基會(huì)侵蝕膜中的碳?xì)滏I，造成膜的降解。至今為止，關(guān)于非全氟型磺酸膜的長(zhǎng)期電池壽命的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限。Faure等用磺化的聚酰亞胺膜在70℃的電池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3000小時(shí)以上。磺化膜的熱穩(wěn)定性主要受磺酸基團(tuán)分解的局限。對(duì)于大多數(shù)非全氟性有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜復(fù)合目的：

通過引進(jìn)吸水性的無機(jī)組分以改善膜的自我保濕能力；

減小水的電滲曳引系數(shù)以緩解膜在陽極一側(cè)的脫水干化；

減小燃料（即DMFC中的甲醇）在膜中的透過濾；

改善膜的力學(xué)性能而不犧牲膜的電導(dǎo)率，因?yàn)橥ㄟ^提高磺化度來提高電導(dǎo)率時(shí)往往伴有膜的機(jī)械強(qiáng)度的下降，反之亦然；

改善膜的熱穩(wěn)定性；

當(dāng)引進(jìn)的無機(jī)組分是質(zhì)子導(dǎo)體時(shí)可能改善膜的電導(dǎo)率。有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜復(fù)合目的：有機(jī)6部分全氟磺酸膜聚乙烯醚聚苯并咪唑磺酸化的聚苯乙烯聚砜其他有機(jī)6部分全氟磺酸膜聚乙烯醚聚苯并咪唑磺酸化的聚苯乙烯聚砜其固態(tài)無機(jī)組分氧化物如無定型二氧化硅29質(zhì)子導(dǎo)體特別是二氧化硅支持的質(zhì)子導(dǎo)體固態(tài)無氧化物如無定型二氧化硅29質(zhì)子導(dǎo)體特別是二氧化硅(4)酸堿高分子膜酸堿高分子膜堿性聚合物與無機(jī)酸絡(luò)合得到酸性聚合物和堿性聚合物混合得到(4)酸堿高分子膜酸堿高堿性聚合物與無酸性聚合物和堿性

堿性聚合物與無機(jī)酸的絡(luò)合反應(yīng)是開發(fā)質(zhì)子交換膜的一種有效方法。

堿性聚合物是指那些帶有堿性基團(tuán)的如醚、醇、亞胺、酰胺、酰亞胺等。

所用的酸應(yīng)該是兩性的，既可作為質(zhì)子的給予體，又可作為質(zhì)子的接受體。

早期制備的酸堿膜的室溫電導(dǎo)率大多低于10-3S/cm,增加酸的含量可以增加電導(dǎo)率，但膜的機(jī)械性能變差，特別是在高溫如100℃以上時(shí)。堿性聚合物與無機(jī)酸的絡(luò)合反應(yīng)改善方法使用交聯(lián)的聚合物使用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高的聚合物添加無機(jī)添加劑改善方法使用交聯(lián)的聚合物使用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高的聚合物添加無機(jī)

聚苯并咪唑是熱穩(wěn)定性非常好的耐熱聚合物，其玻璃轉(zhuǎn)化溫度為425-436℃，熱穩(wěn)定性好，以前主要用于高溫和惡劣環(huán)境下的液相分離。當(dāng)用酸或者堿摻雜后，聚苯并咪唑具有良好的質(zhì)子導(dǎo)電性能，適于用做燃料電池的電解質(zhì)。自從1995年Savinell等的開創(chuàng)性工作以來，已有很多專利發(fā)表。聚苯并咪唑是熱穩(wěn)定性非常好的耐熱聚

通過有機(jī)聚合物的酸堿反應(yīng)而產(chǎn)生離子的交聯(lián)作用，可以得到性能良好的質(zhì)子交換膜。通過有機(jī)聚合物的酸堿反應(yīng)而產(chǎn)生離3.2.3質(zhì)子交換膜燃料電池電催化劑質(zhì)子膜燃料電池中，陽極的氫氣或有機(jī)小分子電氧化反應(yīng)以及陰極的氧氣還原反應(yīng)，盡管在熱力學(xué)上是有利的，但由于其不良的動(dòng)力學(xué)特征，特別是有機(jī)小分子的氧化和氧氣的還原總是在遠(yuǎn)離平衡的高超電勢(shì)下才可能發(fā)生，嚴(yán)重的降低了燃料電池的能量效率。因此，必須尋找適當(dāng)?shù)碾姶呋瘎?，以降低反?yīng)的活化能，從而使這類電極反應(yīng)在平衡電勢(shì)附近以高電流密度發(fā)生。電催化劑表面的微觀形貌和狀態(tài)、在電解質(zhì)中特定化學(xué)環(huán)境下的穩(wěn)定性以及反應(yīng)物和產(chǎn)物在催化劑中的傳質(zhì)特性等也都會(huì)影響電催化劑的活性。3.2.3質(zhì)子交換膜燃料電池電催化劑質(zhì)子膜燃料電池中，陽極對(duì)電催化劑7的要求電催化活性高耐受CO等雜質(zhì)及反應(yīng)中間產(chǎn)物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料時(shí)，由于甲醇的滲透現(xiàn)象，還必須具有抗甲醇氧化的能力。比表面積高使催化劑具有盡可能高的分散度和高的比表面積，可以降低貴金屬的用量導(dǎo)電性能好穩(wěn)定性能好抗酸性腐蝕能力，表面保持穩(wěn)定適當(dāng)?shù)妮d體對(duì)電催化劑7的要求電催化活性高耐受CO等雜質(zhì)及反應(yīng)中間產(chǎn)物載體的作用：

一方面是作為惰性的支撐物將電催化劑固定在其表面，并將催化劑粒子物理地分開，避免它們由于團(tuán)聚而失效；

另一方面有些載體（WC、WO3、導(dǎo)電聚合物）和催化劑之間存在著某種相互作用，能夠通過修飾催化劑表面的電子狀態(tài)，發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，提高催化劑的活性和選擇性。載體的作用：對(duì)電催化劑的要求電催化活性高耐受CO等雜質(zhì)及反應(yīng)中間產(chǎn)物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料時(shí)，由于甲醇的滲透現(xiàn)象，還必須具有抗甲醇氧化的能力。比表面積高使催化劑具有盡可能高的分散度和高的比表面積，可以降低貴金屬的用量導(dǎo)電性能好穩(wěn)定性能好抗酸性腐蝕能力，表面保持穩(wěn)定適當(dāng)?shù)妮d體電催化劑的載體對(duì)電催化活性具有很大的影響，必須具有良好的導(dǎo)電性和抗電解質(zhì)的腐蝕性。對(duì)電催化劑的要求電催化活性高耐受CO等雜質(zhì)及反應(yīng)中間產(chǎn)物的

質(zhì)子膜燃料電池中，Pt基催化劑仍是目前性能最好的陽極或陰極電催化劑。為了減少Pt的用量和提高利用率，催化劑采用的是具有納米級(jí)金屬粒子的負(fù)載型催化劑。常用的載體是VulcanXC-72炭黑，同時(shí)采用碳納米管或納米碳纖維等新型碳材料以及導(dǎo)電聚合物作為Pt催化劑載體。質(zhì)子膜燃料電池中，Pt基催化劑仍是電催化劑的制備方法制備方法膠體法化學(xué)還原法浸漬法Adams法離子交換法金屬絡(luò)合物膠體法真空濺射法高能球磨法電催化劑的制備方法制備方法膠體法化學(xué)還原法浸漬法Adams法

各種方法具有其優(yōu)缺點(diǎn)。但最近Rolision等指出，與化學(xué)還原法和浸漬法相比較，膠體法制備的碳載Pt基催化劑可能具有更高的貴金屬利用率。各種方法具有其優(yōu)缺點(diǎn)。但最近Ro電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學(xué)測(cè)試透射電鏡分析（TEM)掃描電鏡分析（SEM）電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電電催化劑的表征方法表征方法透射電鏡分析（TEM)掃描電鏡分析（SEM）X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學(xué)測(cè)試直接觀測(cè)催化劑中金屬粒子的形貌（粒子大小、形狀及尺寸分布）電催化劑的表征方法表征方法透射電鏡分析（TEM)X射線衍射分電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學(xué)測(cè)試透射電鏡分析（TEM)掃描電鏡分析（SEM）電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學(xué)測(cè)試確定物質(zhì)組分及顆粒具體大小電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有粒徑尺寸大小位于5-50nm之間時(shí)，測(cè)量值才會(huì)很好地與實(shí)際值相符合。

X射線衍射分析表明，質(zhì)子膜燃料電池中的非負(fù)載與負(fù)載型Pt基電催化劑主要以Pt的面立方晶體結(jié)構(gòu)存在。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有粒徑尺寸大小位于電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學(xué)測(cè)試可用于表征Pt及Pt基催化劑的表面組分與元素的狀態(tài)電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學(xué)測(cè)試CV線性電勢(shì)掃描恒電流恒電勢(shì)電化學(xué)阻抗譜電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍（1）循環(huán)伏安法優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單信息量大（1）循環(huán)伏安法優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單信息量大燃料電池催化劑的研究中提供的信息催化劑的電化學(xué)表面積(ECA)催化劑上發(fā)生電氧化或電還原反應(yīng)的超電勢(shì)催化劑表面組成及所暴露晶面的性質(zhì)燃料電池催化劑的研究中提供的信息催化劑的電化學(xué)表面積(EC

Gasteiger等利用循環(huán)伏安法對(duì)一系列不同Ru含量的PtRu合金催化劑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)催化劑表面Ru含量的變化對(duì)CO9電氧化反應(yīng)的起始電勢(shì)沒有影響，但對(duì)峰電勢(shì)位置影響顯著。當(dāng)表面原子中Ru占有50%時(shí)，電氧化CO的峰電勢(shì)最低。因此，以這些試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，可以通過循環(huán)伏安發(fā)來研究CO的電氧化脫除反應(yīng)，從而粗略地確定催化劑的表面組成。Gasteiger等利用循環(huán)伏安法對(duì)（2）恒電流和恒電勢(shì)

恒電流和恒電勢(shì)測(cè)試方法能夠考察催化劑的催化活性，也能夠某一電催化劑在某一恒定電流或恒定電勢(shì)下進(jìn)行工作時(shí)所對(duì)應(yīng)電極電勢(shì)或產(chǎn)生電流的穩(wěn)定性。（2）恒電流和恒電勢(shì)恒電流和恒電（3）電化學(xué)阻抗譜

電化學(xué)阻抗譜可以用來表征催化劑的電催化活性以及電化學(xué)反應(yīng)中的控制步驟及中間產(chǎn)物。（3）電化學(xué)阻抗譜電化學(xué)阻抗譜可電催化劑陽極催化劑陰極催化劑電催化劑陽極催化劑陰極催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑

抗CO的催化劑

甲醇電氧化催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑抗CO的催化劑甲醇電氧

通過測(cè)定Pt/C催化劑在酸性介質(zhì)中的循環(huán)伏安曲線，可以研究H在催化劑表面的吸脫附特性。

一方面，Pt的分散度是決定催化劑性能的主要參數(shù)。另一方面，碳載體的性質(zhì)對(duì)Pt/C催化劑的活性也有較大的影響。電子自旋共振光譜研究揭示，Pt/C催化劑中未配對(duì)電子的數(shù)量大大低于相應(yīng)的非負(fù)載Pt催化劑，表明金屬Pt與碳載體之間有電子傳遞。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)在Pt表面吸附的H原子，可以由Pt的表面遷移到碳載體的表面。通過測(cè)定Pt/C催化劑在酸陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑

抗CO的催化劑

甲醇電氧化催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑抗CO的催化劑甲醇電氧

由于價(jià)格因素和儲(chǔ)氫的困難，當(dāng)使用重整氣制氫時(shí)，氫氣中痕量的CO在Pt催化劑表面上的吸附能力遠(yuǎn)強(qiáng)于氫。

針對(duì)該中毒問題，主要有兩條技術(shù)途徑：陽極注氧和研制抗CO中毒的電催化劑。陽極注氧是在燃料中摻入少量的氧化劑如O2、H2O2。研制抗CO中毒的電催化劑有兩個(gè)基本思路：一，以Pt催化劑為基礎(chǔ)，通過摻入各種助催化劑降低CO的電氧化電勢(shì)和/或減弱催化劑表面CO的吸附強(qiáng)度；二，研制非Pt或非貴金屬的新型電催化劑。由于價(jià)格因素和儲(chǔ)氫的困難，當(dāng)使用重整氣制

除PtRu催化劑外，雙組分（二元）合金催化劑主要有：PtMo、PtW、PtSn、PtIr、PtV、PtCr、PtCo、PtNi、PtFe、PtMn、PtPd等；三組分（三元）合金催化劑主要有：PtRuW、PtRuWMo、和PtRuSn。

到目前為止，種種已見報(bào)道的二元基陽極電催化劑在含有CO的H2中的電催化活性，均沒有達(dá)到Pt/C電催化劑在純H2燃料中的電催化活性。除PtRu催化劑外，雙組分（二元陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑

抗CO的催化劑

甲醇電氧化催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑抗CO的催化劑甲醇電氧

PtRu催化劑中Ru的最佳含量取決于催化劑的制備方法（結(jié)構(gòu)）、電極的工作溫度和電勢(shì)范圍。對(duì)于超高真空制備的PtRu合金催化劑，由于在25℃時(shí)，甲醇僅能吸附在Pt上，因此Ru的最佳含量是10%，但在60℃，甲醇也能夠吸附在Ru上，此時(shí)最佳的含量為30%。

研究的PtRu催化劑范圍：PtRu合金、物理混合的Pt+Ru納米粒子、Pt+RuOx、電沉積PtRu粒子、Ru氣相沉積在Pt上、Ru吸附在單晶Pt(hkl)上等。PtRu催化劑中Ru的最佳含量取決于催陰極催化劑Pt催化劑Pt基合金催化劑過渡金屬大環(huán)絡(luò)合物催化劑其他氧還原催化劑PtFe/C催化劑PtNi/C和PtCo/CPtCr/C催化劑PtV/C催化劑陰Pt催化劑Pt基合金催化劑過渡金屬大環(huán)絡(luò)合物催化劑其他氧還3.2.4膜電極的制備技術(shù)

膜電極（membraneelectrodeassembly,MEA)是燃料電池發(fā)電的關(guān)鍵核心部件，膜電極與其兩側(cè)的雙極板組成了燃料電池的基本單元-燃料電池單電池。3.2.4膜電極的制備技術(shù)膜電極（m

（1）能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應(yīng)氣體順利由擴(kuò)散層到達(dá)催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。因此，氣體擴(kuò)散電極必須具備適當(dāng)?shù)氖杷?，既保證反應(yīng)氣體能夠順利經(jīng)過最短的通道到達(dá)催化劑，也確保生成的產(chǎn)物水能夠潤(rùn)濕膜（2）形成良好的離子通道，降低離子傳輸?shù)淖枇?。?）形成良好的電子通道，MEA中碳載鉑催化劑是電子的良導(dǎo)體，但是Nafion和PTFE的存在將在一定程度上影響電導(dǎo)率，在滿足離子和氣體傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上還要考慮電子傳輸能力，綜合考慮以提高M(jìn)EA的整體性能。

（4）氣體擴(kuò)散電極應(yīng)保持良好的機(jī)械強(qiáng)度及導(dǎo)熱性

（5）膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，能夠很好的隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及抗水解性。高性能的膜電極應(yīng)具有的特性（1）能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應(yīng)氣體順利由膜電極質(zhì)子交換膜電催化劑氣體擴(kuò)散層膜電極質(zhì)子交換膜電催化劑氣體擴(kuò)散層氣體擴(kuò)散層材料

燃料電池?cái)U(kuò)散層材料通常是石墨化碳紙或炭布，從氣體擴(kuò)散角度考慮擴(kuò)散層越薄越有利于傳質(zhì)和減小電阻，但考慮到對(duì)催化劑層的支撐和強(qiáng)度的要求以及對(duì)水熱平衡的管理的要求，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境(氧化劑種類氧氣還是空氣、低壓還是高壓等)需要設(shè)計(jì)不同種類的擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層材料燃料電池?cái)U(kuò)散層材料通常是PEMFC中擴(kuò)散層材料的要求首先擴(kuò)散層起到支撐催化層的作用，為此要求擴(kuò)散層適合支撐催化層，擴(kuò)散層與催化層的接觸電阻要小。 氣體和水通道的作用，因此擴(kuò)散層應(yīng)具備適宜的空隙率和孔分布，有利于傳質(zhì)。電子通道的作用，擴(kuò)散層必須是電的良導(dǎo)體。并且為了保證反應(yīng)的均勻性，要求擴(kuò)散層在橫向及縱向均要保持較好的電阻平行性。熱的傳輸和分配作用，要求擴(kuò)散層有較好的熱傳輸和分配能力，才能保證發(fā)電過程均勻進(jìn)行，有利于膜電極壽命的延長(zhǎng)。較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕和耐電化學(xué)腐蝕的能力，為了保證較長(zhǎng)的壽命和穩(wěn)定的性能輸出。PEMFC中擴(kuò)散層材料的要求首先擴(kuò)散層起到支撐催化層的作用，擴(kuò)散層常用的材料碳纖維材料無紡布炭布多孔性和良好的導(dǎo)電特性，在其他場(chǎng)合已經(jīng)被商業(yè)化擴(kuò)散層常用的材料碳纖無紡布炭布多孔性和良好的導(dǎo)電特性，在其他擴(kuò)散層常用的材料碳纖維材料無紡布炭布石墨化的碳纖維紙石墨化的碳纖維紙?jiān)缫褢?yīng)用到磷酸鹽燃料電池中，炭布的應(yīng)用場(chǎng)合是潤(rùn)滑及紡織行業(yè)。擴(kuò)散層常用的材料碳纖無紡布炭布石墨化的碳纖維紙石墨化的碳纖維

目前超過90%的碳纖維是以高純度的聚丙烯腈（PAN)為原料經(jīng)過高溫炭化25等特殊工藝加工而成的。目前超過90%的碳纖維是以高純度的聚利用PAN碳纖維制備PEMFC擴(kuò)散層的工藝路線聚合和纖維的形成（連續(xù)纖維）穩(wěn)定化（230oC,空氣）炭化/纖維短切（1200-1235oC，N2保護(hù)，含碳量95%）紡紗織布炭化（1600-1700oC，真空）炭布造紙（5%-15%粘結(jié)劑）浸漬樹脂150-180oC，415-550KPa,空氣中放置一段時(shí)間炭化/石墨化（〉2000oC，N2或真空碳纖維紙?zhí)畛涮糠郏ㄒ訮TFE為粘結(jié)劑）熱處理濕法填充紙利用PAN碳纖維制備PEMFC擴(kuò)散層的工藝路線聚合和纖維的形擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布電導(dǎo)率電導(dǎo)率（totaldissolvedsolids,簡(jiǎn)寫為T.D.S）：水的導(dǎo)電性即水的電阻的倒數(shù)，通常用它來表示水的純凈度。

(1)電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率。(2)單位:在國(guó)際單位制中,電導(dǎo)率的單位是西門子/米。(3)說明電導(dǎo)率的物理意義是表示物質(zhì)導(dǎo)電的性能。電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng),反之越小。

電導(dǎo)率的基本單位是西門子（S），原來被稱為姆歐，取電阻單位歐姆倒數(shù)之意。因?yàn)殡妼?dǎo)池的幾何形狀影響電導(dǎo)率值，標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量中用單位電導(dǎo)率S/cm來表示，以補(bǔ)償各種電極尺寸造成的差別。電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理是將兩塊平行的極板，放到被測(cè)溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢(shì)，然后測(cè)量極板間流過的電流。根據(jù)歐姆定律，電導(dǎo)(G)--電阻(R)的倒數(shù)，是由電壓和電流決定的。

電導(dǎo)率電導(dǎo)率（totaldissolvedsolids,擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角縱向電導(dǎo)率平面電導(dǎo)率擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分?jǐn)U散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角壓縮特性彎曲特性擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角水銀測(cè)孔計(jì)法毛細(xì)流動(dòng)測(cè)孔計(jì)法擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角滲透性是指多孔材料透過流體的能力

擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角氣體傳輸液體傳輸擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角擴(kuò)散層的性能表征方法方法電導(dǎo)率機(jī)械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布表面能

由于物體表面積改變而引起的內(nèi)能改變，單位面積的表面能的數(shù)值和表面張力相同，但兩者物理意義不同。

比如東西放時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)發(fā)現(xiàn)有灰塵附著，就是因?yàn)榛覊m附著降低了物體的表面積，從而降低了物體的表面能，物質(zhì)能量都有自動(dòng)趨向降低，保持穩(wěn)定的特點(diǎn)。

又如，砸碎石頭，就增大了石頭的表面能，但是同時(shí)你也做了功。表面能由于物體表面積改變而引起的內(nèi)能改接觸角

將液體滴在固體表面上，液體并不完全展.開而與固體表面成一角度，即所謂的接觸角，以θ表示。

接觸角可以用接觸角測(cè)試儀來測(cè)定。由此可以判斷固體是疏水性的（θ大于90度），還是親水性的（θ小于90度）。

θ接觸角將液體滴在固體表面上，液體并不完全3.堿性燃料電池材料3.堿性燃料電池材料

堿26性燃料電池是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的燃料電池。

1839年格羅夫發(fā)明燃料電池后，經(jīng)過近1個(gè)世紀(jì)都沒有一個(gè)可做實(shí)際應(yīng)用的燃料電池出現(xiàn)。

劍橋大學(xué)的工程師培根從20世紀(jì)30年代開始?jí)A性燃料電池的試驗(yàn)工作。對(duì)蒙德和朗格爾發(fā)明的堿性電池裝制作了很多改進(jìn)，得到了第一個(gè)堿性燃料電池，不過經(jīng)過27年后，培根才制造出能工作的燃料電池。1959年他推出一臺(tái)能夠供焊機(jī)使用的5Kw機(jī)器。同年，愛麗絲-查爾莫斯公司制造出第一臺(tái)以燃料電池為動(dòng)力的車輛，這是有一臺(tái)由15Kw的堿性燃料電池驅(qū)動(dòng)的拖拉機(jī)。這個(gè)公司還開發(fā)了AFC高爾夫球車、潛水艇、叉車等。堿26性燃料電池是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的燃

20世紀(jì)60年代初，聯(lián)合碳化物公司為美國(guó)軍方開發(fā)了AFC移動(dòng)雷達(dá)。

1967年，通用汽車公司引進(jìn)聯(lián)合碳化物公司的堿性燃料電池技術(shù)，開發(fā)了第一輛燃料面包車。

1970年，科爾迪什開發(fā)了第一輛燃料電池小汽車?？茽柕鲜矂?chuàng)辦的ZEVCO公司至今仍然在繼續(xù)堿性燃料電池的商業(yè)化活動(dòng)。

20世紀(jì)60-70年代，在阿波羅宇宙飛船以及在其后的航天飛機(jī)上，堿性燃料電池被用來作為電源，同時(shí)為宇航員提供飲用水。20世紀(jì)60年代初，聯(lián)合碳化物公司為美工作原理陽極反應(yīng)：H2+2OH--2e-

2H2O+O2陰極反應(yīng)：1/2O2+H2O+2e-2OH-總反應(yīng)：1/2O2+H2H2O工作原理陽極反應(yīng)：H2+2OH--2e-2H2O+O2優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)效率高材料要求低氧的還原反應(yīng)在堿性介質(zhì)中比在酸性介質(zhì)中更容易進(jìn)行堿性介質(zhì)中可以采用價(jià)格低廉的鎳作雙極板材料優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)效率高材料要求低氧的還原反應(yīng)在堿性介質(zhì)中堿性介質(zhì)中優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)效率高材料要求低缺點(diǎn)因?yàn)殡娊庖簽閴A，易于CO232生成K2CO3、Na2CO3等碳酸鹽，嚴(yán)重影響電池性能，所以必須除去CO2.這使得采用空氣作為陰極反應(yīng)物遇到很大的困難。電解液需要循環(huán)以維持電池的水、熱平衡問題，使系統(tǒng)變得復(fù)雜，影響電池的穩(wěn)定性操作性能。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)效率高材料要求低缺點(diǎn)因?yàn)殡娊庖簽閴A，易于CO232電池結(jié)構(gòu)堿性燃料電池電極憎水電極親水電極憎水?dāng)U散電極是利用黏結(jié)劑粘合的炭粉制備而成。親水電極是由燒結(jié)的金屬粉末制備而成。這樣的電極結(jié)構(gòu)由孔徑不同的粗孔層和細(xì)孔層構(gòu)成。電池結(jié)構(gòu)堿性燃電極憎水電極親水電極憎水?dāng)U散電極是利用黏結(jié)劑粘電池結(jié)構(gòu)堿性燃料電池電極憎水電極親水電極電解液30-45%的KOH溶液隔膜石棉膜電池結(jié)構(gòu)堿性燃電極憎水電極親水電極電解液30-45%的KOH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)水排除。同時(shí)部分排熱靜態(tài)排水法在氫氣一側(cè)有一多孔排水膜，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電池。冷凝排水法在氫氣一側(cè)有冷凝板（無孔），外側(cè)的冷凝腔內(nèi)流過冷卻劑，生成的水在冷凝板上凝結(jié)成液態(tài)排出。電解質(zhì)排水法通過將電解液循環(huán)在外部除水單元里蒸發(fā)排水。這種情況下水蒸發(fā)所需熱量由電堆的廢熱提供。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，堿性燃料電池的應(yīng)用培根的第一個(gè)堿性燃料電池工作溫度是150℃。1987年海亞會(huì)議期間，歐洲空間局和法國(guó)宇航中心宣布用于可復(fù)用的Hermes空間火箭的新一代的AFC.由比利時(shí)的Elenco公司、德國(guó)西門子和Varta公司承擔(dān)。美國(guó)聯(lián)合公司曾將30kW氫/氧AFC用于美國(guó)海軍潛水艇，還曾為美國(guó)軍方開發(fā)了堿性燃料電池雷達(dá)站、燃料電池摩托車等。德國(guó)Varta公司在60-70年代研制AFC,為叉車制造了3.5kW級(jí)AFC電堆。堿性燃料電池的應(yīng)用培根的第一個(gè)堿性燃料電池工作溫度是150℃1976年比利時(shí)與荷蘭聯(lián)合組成Ekenco公司研制AFC.該公司基本電堆為0.45KW.1987-1988年該公司制成1-1.5KW便攜式AFC,1993年制成40kW及70KWAFC電堆，日本富士電機(jī)公司于1961年開始研究AFC，1970年制成1KWAFC，1972年制成10KW氫/氧AFC，1977年制成2KW氫/空氣AFC，1985年制成7.5KW應(yīng)急AFC電源以及可移動(dòng)的3.6KWAFC。20世紀(jì)90年代，德國(guó)西門子公司組裝了48KW級(jí)AFC電堆，輸出電壓為192V,輸出電流為250A,該公司還用AFC電堆裝備了一艘德國(guó)潛艇。1976年比利時(shí)與荷蘭聯(lián)合組成Ekenco公司研制AFC.該20世紀(jì)90年代，德國(guó)卡爾斯羅研究中心研制以AFC作為動(dòng)力的汽車。這是德國(guó)第一輛燃料電池作動(dòng)力的汽車，現(xiàn)陳列于德國(guó)奧海姆技術(shù)博物館。1988年7月，英國(guó)和比利時(shí)的合資公司零排放汽車公司（ZEVCO)在倫敦展示了該公司第一輛燃料電池出租車原型車，該車采用5kW的堿性燃料電池，且用鈷做催化劑。燃料電池控制公司在向用戶提供2.5kW的堿性燃料電池系統(tǒng)，開路33V,105A放電時(shí)電壓為24V.這套系統(tǒng)向用戶的出售價(jià)是1.7英鎊。20世紀(jì)90年代，德國(guó)卡爾斯羅研究中心研制以AFC作為動(dòng)力的4.磷酸型燃料電池材料4.磷酸型燃料電池材料4，磷酸型燃料電池PAFC以