燃料电池技术基础总结

1、Ch11. 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 sour

2、ce，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

3、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1

4、1.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

5、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(120C)时则使用低浓度的氢化钾(3550)电解质。 与其他燃料电池相比，AFC功率密度较高，性能较为可靠。 所使用燃料的限制非常严格，必须以纯氢作为阳 极燃料气体，以纯氧作为阴极氧化剂。 催化剂使用铂、金、银等贵重金属，或者镍、钴、锰等过渡金属。 电解质的腐蚀性强，

6、因此电池寿命短，但启动快 仅成功地应用于航天或军事应用，不适合于地面商业民用。14. PEMFC PEMFC 以质导度佳的固态高分子膜为电解质。 PEMFC内惟一的液体为水，因此腐蚀程度较低，但水管 理则是影响燃料电池发电效率的重要因素之一。必须保持膜内含水充分。 由于水平衡的因素，燃料电池的工作温度必须限制在100C以下。 以富氢气体为燃料时，不能含有过量的CO(容忍度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

7、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

8、，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

9、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：

10、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(poros

11、ity)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

12、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200500m30固

13、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

14、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(0.1)，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(com

15、pression 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

16、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。

17、 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，低温燃料电池组可以采用橡皮环或聚四氟乙烯垫片进行密封， 高温燃料电池组则必须采用特殊的密封材料，如Prexy玻璃或玻璃陶瓷复合材料等，由于各家厂商都将高温密封技术列为保密技术，因此密封材料的详细成分都不

18、公开。36. 再生能源也叫作永续能源(Sustainable energy)，具有可以再生或永远不会衰竭的含义，无碍地球的永续发展37. 除了生质能(即生物质能biomass energy)之外，大部分再生能源部属于间歇性能源（intermittent energy)，存在着分散性高、来源不稳定以及无法储存等问题 传统再生能源的使用会对环境造成污染，有违使用再生能源的初衷 氢能不属于世界能源委员会所定义的再生能源范畴，但氢不仅仅具有再生能源清洁无污染的特性，而且氢含能体能源的特性还使得氢能可以储存与运输。氢也可以称作再生燃料(renewable fuel)38. 2002年初，本田汽车公司展示

19、了全世界第一座利用太阳能产生氢气的加注站位于加州本田研发中心，利用太阳能电解水制造氢气，提供燃料电池汽车使用。39太阳能以热能方式结合燃料电池系统共生发电40. 结合高温燃料电池与生物食物链原理的能源使用技术，可以有效地将燃料中的碳元素一直锁定在能源使用循环中41. 为了有效地减少沼气所引发的甲烷与二氧化碳污染排放，生质气(bio-gas)的回收利用已经成为国际间的一项重要的能源开发技术42.* 关于能源的定义目前有二十来种，具有代表性的解释有四种：（1）大英百科全书的定义为：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可以让它为 自己提供所需的能量”；（2）日本大

20、百科全书的定义为：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能 量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；（3）我国能源百科全书的定义为：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资 源”；（4）科学技术百科全书的定义为：“能源是可从其获得热、光和 动力之类能量的资源”。简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物 质资源，它和水、食粮以及生态环境一样，是现代社会发展与人类生活的一种基本物质和必要条件。43. 能源类型分为（1）化石燃料(fossil fuel)或化石能源(fossil energy)，即固体燃料、液体燃料

21、、气体燃料（2）其余的能源即为非化石燃料或非化石能源。其中在非化石能源中的水能、太阳能、生物质能、风能、海洋能和地热能等，由于它们在人类所处的地球上，可以源源不断地产生或再生，因此又称作再生能源(renewable energy)。44. 人类使用能源的变迁 人类使用能源的变迁 第一代主流能源：柴草，属于再生能源中的生质能 第二代主流能源：煤炭，是化石能源中的固体燃料，属于非再生能源。至今煤炭仍是人类使用的重要能源 第三代主流能源：石油，从1960年，石油的消费量超过了煤炭45. 电是目前使用最为广泛的二次能源之一，而电能本身是一种过程性能源，无法大量地直接储存46. 作为能源，氢具有以下特点

22、： 在所有元素中，氢重量最轻 在所有气体中，氢气的导热性最好 氢是自然界存在最普遍的元素，是构成宇宙质量的75 除了核能外，氢的热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kJkg，是汽油热值的3倍 氢本身无毒，与其他燃料相比，氢的能源转换过程最清洁，不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，而且所生成的纯水还可以继续制氢，循环使用 氢能利用的形式多，不仅仅是燃料电池的燃料，也可以经由燃烧产生热能，在热机中产生机械功，或者转换成固态氢用作结构材料。 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物形式出现，能适应储运及各种应用环境的不同要求。47.

23、目前PAFC产业化发展过程中需要解决的主要问题 是：简化系统，提高可靠性和降低成本。 PAFC存在的技术问题是工作温度仅在200左右，余热可利用价值低，电催化剂Pt抗CO性能差，对于 天然气、甲醇或乙醇等非纯氢燃料需要进行预处理。48. 目前SOFC的发展受到材料与制备技术的限制，仍需进行大量的技术基础研究，如解决高温条件下材料的性能与寿命问题，研究电极、电解质及联接体材料之间的固-固接触与密封等工程技术问题。49. 世界性的环境污染问题，使车用燃料电池成为当今燃料电池系统开发的重要方向之一。 加拿大巴拉德动力系统公司(Ballard Power SystemBPS)于1993年在温哥华科技展

24、览会上推出了世界上第一辆以燃料电池为动力的公共汽车样 车，该车以压缩氢为燃料，电池类型为PEMFC50. 燃料电池是一项工艺性极强的综合研究技术，它的发展与电催化材料科学和化工技术的进展密切相关。51. 六种新型燃料电池：超强酸电解质燃料电池、新型薄膜式燃料电池、不用氧气的混合型燃料电池、再生式燃料电池、锌-空气燃料电池和质子陶瓷燃料电池。52. 我国燃料电池主要应用背景有四个方面： 第一，将燃料电池系统用于民用发电，主要是在现场和分散型 电站，如宾馆、生活小区以及较偏远的地区供电。发电容量在数十千瓦至兆瓦级范围内。适合建立燃料电池电站的是PAFC、MCFC和SOFC。目前，PAFC技术基本成

25、熟，国内不再在PAFC方面进行工程与基础研究，可根据需要与可能适当引进国外成熟的PAFC样机进行试运行。MCFC和SOFC是值得我国在今后相当长的一段时间内投入力量进行研究与工程开发的，它们将成为洁净煤发电的技术之一。 第二，利用电动汽车发展的机遇，开展电动汽车用的燃料电池 系统研究，主要研究PEMFC系统技术并进行工程开发。 第三，解决农村能源及城市垃圾场、污水处理场的能源问题。有计划地在农村地区及城市垃圾场、污水处理场开展以沼气类为燃料的燃料电池系统开发，综合治理农村及城市垃圾场、污水处理场能源资糠的利用、能源供应的结构，保护生态环境，促进“绿色能源”计划的逐步实现。 第四，在一定的条件下

26、，继续研究与开发航天及军队特殊用途的燃料电池系统，如航天器、舰船、潜艇用能源等。Ch21. 为什么要研究电极热力学和动力学？氢氧燃料电池的能量转化方式为电化学反应，与氢氧燃烧的化学反应不完全相同，两者之间的异同之处可以从热力学(themodynamics)与动力学(kinetics)两个不同的角度来分析.(1)从热力学角度来看热力学关心化学反应的初始状态与最终状态；氢氧燃烧的化学反应与燃料电池的电化学反应都是水生成反应，它们的化学反应式相同、反应的初始与最终的状态函数也一致。因此，两者是基本相同的(2)从动力学角度来看化学反应动力学关心从反应初始状态变成最终状态的过程(途径)，着重热量转移的热

27、化学反应(燃烧)与有电功产生的电化学反应(燃料电池)的反应途径完全不同，不同的反应途径使得两者对环境所作的功也不相同。因此，两者是有明显差异的2. 电极热力学(electrode thermodynamics)：把热力学第一定律具体运用到电化学反应上，用实验或计算方法测定电化学反应的能量变化。当燃料电池的能量转化过程是以热力学上的可逆方式来完成时，则称为可逆燃料电池(reversible fuel cell)，此时在电极/电解质介面上的电极反应同样是可逆的，因此又可以称作可逆电极(reversible electrode)。可逆电极电位:可逆电极上的电位可逆电极反应基本上是一种理想状态的电极反

28、应，是处在平衡状态下的电化学反应，本质上没有电流通过。可借助热力学基本定律来界定反应物的化学能转变成为电能的定量关系,借助可逆电极电位可以准确地测定化学反应的许多热力学函数，例如自由能的变化量、平衡常数、活性度等。3. 45. 反应物质活性度大小的表现（三个方面）：首先，物质会从活性度高的位置往活性度低的位置移动(扩散)。其次，物质会往邻近的异相移动(沉淀)。其三，物质会借由化学(或电化学)反应来降低其活性度。物质的活性度除了决定反应物质消失的量之外，同时也决定了反应物质消失的速率。因此，活性度兼有热力学与动力学上的意义。活性度=在某状态下的非停滞率/在标准状态(STP)下的非停滞率.活性度是

29、一个没有单位的比值。6. 反应气体的活性度与反应气体分压成正比。7.热力学所讨论的电极电位是在可逆状态下发生的电极反应的电位，又称作可逆电极电位.可逆电极电位是指相对于参考电极的电位差，电池电位则是指燃料电池阴极与阳极的电位差，两者均直接以符号E来表示可逆电极基本上只是一种理想状态，电极上没有电流通过燃料电池作功时，则平衡被破坏，发生了不可逆的过程，此即称为电极反应(electrode reaction)，电极反应又称作半反应(half reaction)或者半电池反应(half-cell reaction)。8.极化：极化(polarization)：电极电位与可逆电位偏离的现象，即偏离没有

30、净电流通过时的电位的电化学现象。过电位(overpotential)：电极电位变化量的绝对值=En-E。平衡电位En为无电流通过时的电极电位，E为有电流通过电极时的电位。极化和过电位两者是互相关联的概念，极化是对任意电极的定性描述，而过电位则是相对于已知平衡电位的单一电极的定量描述。 当极化发生在电池的阳极时，称为阳极极化，发生在阴极时，则称为阴极极化。根据极化产生的原因，可以简单地归纳出以 下三项：活化极化、浓度极化、欧姆极化。(1)活化极化(activation polarization)： 主要是因为电极表面刚要启动电化学反应时，所呈现速率迟钝的现象。活化极化直接与电化学反应速率有关，因

31、此 又称作电化学极化(electrochemical polarization)，影响这个阶段电压降的主要原因是来自触媒吸附与脱附动力学。(2)浓度极化(concentration polarization)：当燃料电池处于高电流状态时，燃料气体与氧化剂必须适时地移动至电极表面(触媒所在的位置)上，才能够维持高电荷交换情况，一旦燃料气体与氧化剂来不及提供，也就是在电极表面无法维持适当反应物浓度时，则发生浓度极化。 反应气体来不及到达反应界面，反应物浓度过低。（3)欧姆极化(ohmic polarization)：欧姆电阻主要来自离子在电解质内迁徙以及电子在电极移动时的电阻。电解质与电极电阻均遵

32、循欧姆定律，因此可以表示成iR。影响此时电池性能的关键因素为燃料电池的内电阻，包括电解质膜的离子交换电阻以及电极与池体材料之间的(如石墨)接触电阻等。9. 当电极电位接近可逆电位时，有时会因为反应速率常数太小而无法检测到电流。造成这种速率缓慢现象的原因是由于无法克服反应过程中的活化能。电极反应与化学反应两者都牵涉到活化障碍必须克服的问题，一般化学反应可以提高反应温度来降低活化能，而电极反应的缓慢现象则可以用增加电位来克服。一般来说，氢氧燃料电池阴极的活化极化比阳极显著10. 当电极电位接近可逆电位时，有时会因为反应速率常数太小而无法检测到电流。造成这种速率缓慢现象的原因是由于无法克服反应过程中

33、的活化能。电极反应与化学反应两者都牵涉到活化障碍必须克服的问题，一般化学反应可以提高反应温度来降低活化能，而电极反应的缓慢现象则可以用增加电位来克服。一般来说，氢氧燃料电池阴极的活化极化比阳极显著典型燃料电池的极化曲线可以分成三个特征区域：活化极化区域、欧姆极化区域、浓度极化区 域在低电流密度时，电池的电阻主要来自于活化过电位，电池电压随电流密度的增加迅速下降；随着电流密度的增加，电池的电阻改由欧姆过电位主导，此时电压降和电流密度呈线性关系；当电流密度继续增加，一直到达限制电流时，电池电压会急速下降，电池的电阻主要由传质因素 来控制，也就是浓度过电位。燃料电池设计的重点之一就是要 尽量避免极化

34、现象，也就是设法降低电池中的活化过电位、浓度 过电位和欧姆过电位。12.效率：能量转换装置的效率是指从装置输出的可用能量与输入能量之比输出的可用能可以是电能，机械能或者热能等。理想热机(卡诺热机)的效率：1-Tc/TH。卡诺热机的效率是所有热机中最高的，一般热机的效率小于卡诺循环效率。 “假若燃料电池与热机具有相同的效率下，燃料电池不必像热机一样受到温度的限制。在不受温度限制的情况下，燃料电池具有不必在高温下就能够达到高效率的优势”比较确切13. 电化学效率(electrochemical efficiency): 燃料电池实际输出的电功与可用能之比，也就是燃料电池的实际工作电压与可逆电位之比

35、14. 强化电极反应动力学可以从改善电池的设计着手15. 电催化(electrocatalysis)指的是电极与电解质界面上进行电荷转移反应时的非均相催化过程。由于燃料电池的电催化反应是在电场的作用下进行的，因此，它比普通非均相催化过程更复杂 存在电荷转移反应是电催化区别于普通化学催化的主要特征，研究界面上电荷转移过程是电化学科学的重要组成部分, 当反应物吸附在电极表面时，表面反 应将包括电子转移与离子转移两个方面，其中也包含吸附催化过程。16. 电催化剂(触媒)应具有加速反应速率的功能，其作用原理是通过改变反应途径，使反应过程中的活化 能降低17. 评价燃料电池电催化剂(触媒)的三个主要技术

36、指标：稳定性、电催化活性、电导率 1) 稳定性：要求电催化剂(触媒)在其特定环境中具有良好的稳定性。例如：酸碱性电解质电池要求 电催化剂(触媒)耐腐蚀，不易为一氧化碳等毒化剂中毒；高温燃料电池的阴极电催化剂(触媒) 必须具 有抗氧化性和抗高温腐蚀的能力。2）电催化活性：交换电流密度io 是评价电催化剂(触媒)优劣的数据之一；电催化剂(触媒)活性还表现在反应物(燃料与氧化剂)在电极反应中转化与利用程度。3）电导率：电催化剂(触媒)必须具有良好的电导率；若电催化剂本身电导性较差(或是半导体)，则它必须负载于电导性材料内，如以石墨作载体。18. 电催化剂(触媒)的选择与设计可按以下基本原理或原则(1

37、)基于活化模式的考虑：反应物分子在电催化剂表面进行有效的化学吸附是电催化过程分子活化的前提。化学吸附分为缔合吸附与解离吸附两种类型。解离吸附活化是反应物分子活化的主要途径。(2)基于催化反应的经验规律考虑：在考虑分子活化过程中，吸附键强度是一个十分重要的参数，它对催化活性有很大的影响。反应物分子在催化剂表面上形成的吸附键强度必须位于一适宜的范围，吸附键太强或太弱都不是适宜的（“火山形效应”）。(3)键合理论与电催化剂设计的考虑Ch31. 碱性燃料电池也称作碱液燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)，它是最早开发并获得成功应用的一种燃料电池。19401950年，剑桥大学的培根(

38、F. T. Bacon)博土制造出世界上第一个碱性燃料电池(培根电池)2现代的碱性燃料电池AFC是以石棉网作为电解质的载体、氢氧化钾(KOH)溶液作为电解质、工作温度在60200之间的一种燃料电池。高温(200)时，采用高浓度的氢氧化钾(85)电解质，在较低温度(120)时，则采用低浓度的氢氧化钾(3550)电解质。3 AFC的特点：(1)能量转换效率高。一般AFC的工作电压在0.800.95V时，其电能转换效率可以高达60 70。(2) 可以使用非铂触媒，如雷尼金属(Raney metal)、硼化镍等。既可以降低成本，又不受铂资源的限制。(3)结构可以使用塑料、石墨或者非贵重与稀有金属等较为

39、便宜的材料。可以采用镍板或镀镍金属板作双极板。(4)瞬时启动快、工作温度范围广，即使在结冰温度下也能正常工作。(5)热管理比较容易。4. AFC的缺点：(1)在以空气作为氧化剂时，必须清除空气中所含的二氧化碳。(2)当以各种碳氢化合物的重整改质气体作为燃料气体时，必须去除气体中的二氧化碳。大大增加了电池的成本。(3)碱性燃料电池采用氢氧化钾或氢氧化钠作电解质，进行电化学反应所生成的水必须及时排除，以维持其浓度不变，排水方法及其控制均增加了燃料电池的复杂性，相应地也增大了成本。前两个缺点严重地限制了碱性燃料电池在地面应用的可能性。与其他燃料电池(氢氧燃料电池)相比，其最大的不同之处就是AFC是在

40、阳极侧产生水，而PEMFC与PAFC则是在阴极侧产生水。电解液保持在多孔质基体中的基体型和自由电解液型6碱性燃料电池的关键元件对于AFC电极的要求是：具有较好的电导特性，以便减少欧姆损耗；具有足够的机械强度与合适的孔隙率；在碱性电解质环境中具有一定的化学触媒活性；在较长时间内保持电化学触媒的活性。触媒：触媒可以选用贵金属,也可以选用非贵金属电极的结构：以过渡金属为触媒的电极普遍采用烧结型或雷尼金属结构的双孔结构电极；而以贵金属为触媒的碱性燃料电池，则采用疏水剂粘结型电极电解质载体隔膜：双极板与流场：石墨和镍作为双极板材料具有化学稳定性，在碱性介质中不易腐蚀，而且价格也并不昂贵，因此适合作为碱性

41、燃料电池的双极板材料，但是AFC的电池组体积比功率无法提升镍的密度颇大，以镍作双极板材料的AFC的电池组的体积功率会降低电池组的结构和电解质的管理：碱性燃料电池组大致上可以分成以下三种结构：(1)第一种是以石棉作为电解质隔膜，将其浸泡于氢氧化钾水溶液中，而粘结型氢电极和氧电极置于隔膜两侧而组成膜电极组，最后配合双极板再按压滤机的原理组装成电池组(2)第二种是采用双孔结构的电极与框架，框架内置有氢氧化钾溶液，再依据密封结构与双极板按压滤机的原理组装成电池组。(3)第三种结构是以石棉隔膜作细孔层而与粘结型电极作为粗孔层，将细孔层石棉隔膜与两个多孔气体扩散电极压合，形成类似双孔电极的结构，再按双孔电

42、极的方式组成电解质槽，最后组装成自由介 质型碱性燃料电池。燃料电池组必须解决排水与排热问题。对于碱性燃料电池，常用的排水方法有两种，即动态排水与静态排水。7. 燃料电池系统的电化学特性的优劣可以用比能量来判别。电池比能量的物理意义是电池单位质量或单位体 积所能输出的电能。它有两种表示方式，一种叫质量比能量，以单位质量电池输出的功率(kWkg-1)表示；另一种叫体积比能量，以单位体积电池输出的功率(kWL-1) 表示。比能量的大小与电池组及其辅助设备的质量或体积有关。 电池组对比能量的贡献与电池工作电流密度及输出电压直接相关。电池运行寿命是电池性能的另一重要指标。Ch4.1. 美国通用电气(Ge

43、neral Electric，GE)公司是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)最早的研究机构。 刚开始研究阶段，将它命名为离子交换膜燃料电池(Ion Exchange Membrane Fuel Cells，IEMFC) 。 近年来，众多研究者将它称为质子交换膜燃料电池(PEMFC)。 由于其电解质是一种固态高分子聚合物，所以又被称作高分子电解质燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cells，PEFC)，或称固态高分子燃料电池(Solid Polymer Fuel Cells，SPFC)，这是应用最广、

44、当前最受重视的一种燃料电池。2. 基本结构:包括两块多孔气体扩散电极与固态高分子聚合物电解质膜。 多孔极板的一侧是负载触媒，另一侧与极板接触。极板上开设有凹槽通道，以便燃料气、氧化剂或冷却剂通过。 电解质膜，厚度约为50250m；具有质子交换功能，同时还起隔离燃料气与氧化剂气体的作用。3. 本体结构由两个基本单元组成：一是质子交换膜电极单元；二是冷却单元。质子交换膜电极单元包括电解质膜、触媒电极及 覆在电极表面的碳纸片，单元总厚度小于1mm。冷却单元经冷却板极向质子交换膜电极单元供应电池反应所需的物料，并移去电池反应的产物，达到脱水、除热的目的，同 时它还起到电池密封和保护作用。4.* PEM

45、FC的优点：清洁无污染、能量转换效率高、寿命长、无碳酸盐生成、生成的水洁净(可以直接饮用)、应用范围广、设计简单、制造方便、既可以采用纯氢作燃料也可以采用重整转化燃料。固态高分子聚合物电解质不存在电解质腐蚀与溢散问题具备接近常温工作以及起动迅速的特点，非常适合用作运输动力、可携式电源以及家用型发电机。缺点：废热品位低、对CO敏感、采用重整转化燃料时需要将CO变换成CO2，电极触媒尚需较多的贵金属，质子交换膜的生产成本还比较高，供应商也比较少。5.*工作原理 质子交换膜燃料电池以氢气 或净化重整燃料气为燃料气 体，以空气或纯氧为氧化剂 的一种燃料电池电解质将电池分隔成阴极与阳极两部分。 阳极：H

46、22H+2e- 氢离子通过质子交换膜以水 合质子H+(xH2O)的形式，从一个磺酸基SO3H转移到另一个磺酸基往阴极移动电子经由外电路对负载做功后移往阴极阴极： 1/2O2+2H+2e-H2O质子交换膜的电阻与膜内的水分含量、膜的厚度有关。 但是质子交换膜的厚度不能太薄，会使膜的机械强度变弱、耐久性变差，使电池寿命受到影响；同时也会导致反应气体交叉扩散。除了了水和电之外，也会产生热，必须进行冷却. 典型工作温度下，阴极生成的水以液态水和水蒸气的形态同时存在，这些产物将经由空气带离燃料电池。6.*结构 质子交换膜燃料电池，主要由质子交换膜、多孔电极和燃料转化处理器三部分组成，PEMFC的本体结构

47、由两个基本单元组成：质子交换膜与电极单元、冷却单元7. 质子交换膜燃料电池发生电化学反应发电过程包括：反应气体在电极扩散层内的扩散、气体在电极触媒层内被触媒吸附并发生电催化反应、质子在固态电解质(质子交换膜)内从阳极侧传递到阴极侧、电子同时在电极与双极板之间的传递。8. 构成质子交换膜燃料电池的关键材料与元器件：质子交换膜，触媒与电催化反应、电极、膜电极组、双极板与流场, 全氟磺酸型质子交换膜是目前最适用的 PEMFC电解质。9. Nafion 膜的外貌类似包装封存食物用的半透明塑胶膜，当然燃料电池运转时，质子交换膜处在饱和含水状态,Nafion 膜的立体结构：主干、离子簇（又称质子交换侧）、

48、侧键10. 氢离子在质子交换膜中的传导机制：质子在膜内传导时，膜体必须吸附水分子而呈现含水饱和状态、亚硫酸根离子(SO3-)固定不动地附着在主干上的侧键，氢离子则是能够在薄膜内自由移动SO3H是一种亲水性的阳离子交换基团，当阴极发生反应时，靠近阴极的SO3H就会解离出H+参与电化学反应而生成水，同时释放出反应热当H+离开后，SO3H因静电吸引邻近的H+填补空位，同时电位差所造成的离子迁移力促使膜内H+只能从阳极向阴极移动11. 对于低温质子交换膜燃料电池，其阴极与阳极半反应均需借助触媒降低活化能以催化电化学反应。早期的质子交换膜燃料电池，曾经采用镍、钯等金属作为触媒，目前则普遍以铂作为氢氧反应

49、的催化剂。阳极氢气在铂表面上的电催化氧化反应的途径大致依循着吸附、解离与脱离等如下三个步骤进行12. 为了提高铂与活性物质的接触面积，加速PEMFC的电催化反应，可以使用微小、导电、抗腐蚀的微 粒作为催化剂的载体(Support)，炭黑是目前最普 遍使用的触媒载体。13. 根据反应气体在电极内输送的机制不同，电极可分成疏水电极(hydrophobic electrode)与亲水电极(hydrophilic electrode)两种 疏水电极的反应气体是在触媒层中的疏水剂所形成的疏水网路(气体通道)中传递，亲水电极中触媒层的反应气体是先溶解在水或Nafion 电解质中，再进行扩散传递。14. 疏

50、水电极的主要功能：1)借助扩散层的多孔结构使得反应气体能够顺利地扩散进入电极，并均匀地分布在触媒层上，以提供最大的电化学反应面积；2）将反应所产生的电子导离阳极以进入外电路，并同时将外电路来的电子导入阴极。其他功能：PEMFC运行时，阴极会产生水，气体扩散层同时具有辅助水管理的作用。疏水电极的制作技术 (1)气体扩散层： (2)气体扩散层表面整平处理(3)触媒浆料制作(4)气体扩散电极制作：15.* 亲水电极是直接以质子交换膜支撑触媒层，故又可称作膜电极(membrane electrode，ME)(膜电极上没有气体扩散层)，亲水电极触媒层厚度往往比疏水电极上的触媒层来的薄。 亲水电极触媒层的

51、优点：触媒层与电解质膜可以紧密结合，有效避免了由于电极触媒与膜的膨胀系数不同而造成的电极与膜的分层现象；由于铂/碳触媒与Nafion型质子导体能够保持良好的接触，可以进一步降低电极的铂载量。亲水电极的制作技术 (1)质子交换膜的前处理(转为Na+型态)：(2)触媒层浆料制作(3)膜电极制作：将触媒浆料分成几次涂抹(浆涂、喷印或网印均可)到已清洗过的聚四氟乙烯薄膜上，并加以烘干。然后再将带有触媒层的聚四氟乙烯薄膜与经过前处理的质子交换膜在玻璃化温度(150160)下进行热压处理，如此便能够将触媒层移印到质子交换膜上。 (4)膜电极处理(转回H+型态)：16. 疏水电极与亲水电极的比较 （1）主要

52、区别是电极催化层中所采用的粘结剂不同。 疏水电极催化层中采用的是PTFF作为粘结剂和防 水剂，然后用Nafion溶液浸渍电极表面，以扩大 三相反应区。 亲水电极催化层中直接采用Nafion聚合物作为粘 结剂和质子导体。（2） 电池性能差别大17将阳极、质子交换膜与阴极结合成三明治结构的单一元件称为膜电极组(membrane-electrode assembly，MEA) 亲水性膜电极本身即为膜电极组结构，也称作“三层膜电极组(3-layer MEA)”在膜电极的两边分别用一片气体扩散层夹住热压后形成“五层膜电极组(5-layer MEA)”将两片疏水电极中间夹一层质子交换膜热压结合也可以形成五

53、层膜电极组五层MEA的四周围再加上密封垫圈则形成“七层膜电极组(7-layer MEA)”18.*双极板与流场 PEMFC的双极板两面分别贴附着阴极与阳极的气体扩散层，它具有进气导流与收集电流等两项主要功能。因此又称为流场板(flow field plates)或集电器(current collectors)。PEMFC双极板的材料有无孔石墨板、塑料碳板、表面改性金属板以及复合型双极板等 ，都具有阻气、导电、散热以及抗腐蚀等双极板所需的基本特性。（1）无孔石墨板是由石墨粉与可以石墨化的树脂混合后经由2500高温碳化处理而得 碳化过程中必须严格控制升温程序。制作成本相当昂贵。（2）塑料双极板：内电阻较大而影响燃料电池的性能；机械强度仍然有待加强（3）金属双极板的最大优点是易于大量生产，一般金属材料作为双极板时，阴极侧会因为金属氧化膜增厚而增加接触电阻，降低了燃料电池的性能。 阳极侧则会发生轻微腐蚀而导致电极触媒的活性降低。 PEMFC金属双极板的关键在于表面处理。流场 在双极板上所加工的各种形状的流场沟槽主要的目的是提供反应气体及产物进出燃料电池的通道PEMFC双极板流场的几何设计基本原则： (1)增强气体对流与扩散能力：在一定的反应气体 供应量的情况下，流场的设计必须确保电极各处都 能够充分获得反应气体。 (2)选择最佳双极板开孔率(o