第二篇燃料电池材料演示文稿

第二篇燃料电池材料演示文稿现在是1页\一共有174页\编辑于星期一优选第二篇燃料电池材料现在是2页\一共有174页\编辑于星期一燃料电池(FC)

一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50-70％)而与环境友好地转化为电能的发电装置。

现在是3页\一共有174页\编辑于星期一燃料电池分类碱性氢氧燃料电池(AFC)；磷酸型燃料电池(PAFC)；质子交换膜型燃料电池(PEMFC)；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)；固体氧化物燃料电池(SOFC)。现在是4页\一共有174页\编辑于星期一现在是5页\一共有174页\编辑于星期一现在是6页\一共有174页\编辑于星期一燃料电池的优点

节能、转换效率高；排放达到零污染；车辆性能接近内燃机汽车；结构简单和运行平稳。

现在是7页\一共有174页\编辑于星期一燃料电池的缺点

燃料种类单一；要求高质量的密封；比功率不高；造价高昂；设备开支问题；现在是8页\一共有174页\编辑于星期一降低氢气的储存成本和使用成本；需要配备辅助电池系统；汽油裂化困难；防结冰问题。现在是9页\一共有174页\编辑于星期一燃料电池的效率燃料电池的理想效率；燃料电池与热机联合的理想效率；燃料电池的实际效率；燃料电池与热机联合的实际效率。现在是10页\一共有174页\编辑于星期一现在是11页\一共有174页\编辑于星期一现在是12页\一共有174页\编辑于星期一燃料电池的理想效率取决于反应熵变的大小和符号。现在是13页\一共有174页\编辑于星期一现在是14页\一共有174页\编辑于星期一现在是15页\一共有174页\编辑于星期一

若电池放电和热量回收过程均为完全可逆过程，则燃料电池与热机联合过程的总效率等于在环境温度下工作的燃料电池的理想效率，而与燃料电池和热机的工作温度无关。现在是16页\一共有174页\编辑于星期一现在是17页\一共有174页\编辑于星期一现在是18页\一共有174页\编辑于星期一发展燃料电池的重要性

高效、清洁地利用化石能源；能源多样化与能源的可持续发展；完善高技术产业链。

现在是19页\一共有174页\编辑于星期一能源材料第五章质子交换膜型燃料电池材料现在是20页\一共有174页\编辑于星期一主要内容质子交换膜燃料电池；质子交换膜型燃料电池材料；电池组技术。现在是21页\一共有174页\编辑于星期一PEMFC的结构与工作原理；

影响PEMFC性能的主要因素；

PEMFC的主要应用领域。

现在是22页\一共有174页\编辑于星期一现在是23页\一共有174页\编辑于星期一现在是24页\一共有174页\编辑于星期一阳极：2H2→4H++4e-(1)阴极：

O2+4H++4e-→2H2O(2)总化学反应：2H2+O2→2H2O(3)现在是25页\一共有174页\编辑于星期一电解质膜；膜的湿度；工作温度；催化剂含量；杂质浓度。现在是26页\一共有174页\编辑于星期一主要应用领域

用作各种海、陆、空运载工具的电源；为公共场所如商场、医院甚至居民家庭提供热、电；为便携式电子设备和通信设备以及高精密仪器提供电源。

现在是27页\一共有174页\编辑于星期一电催化剂；多孔气体扩散电极；质子交换膜；双极板材料。

现在是28页\一共有174页\编辑于星期一电催化剂的制备；电催化原理；纳米催化剂；碳纳米管。现在是29页\一共有174页\编辑于星期一先将铂氯酸转化为铂的络合物，再由络合物制备高分散Pt/C电催化剂；化学还原沉积。现在是30页\一共有174页\编辑于星期一（1）H2的阳极氧化

H2阳极氧化反应为：H2+2H2O→2H3O++2e-具体途径如下：(M-电催化剂表面原子)第一步：H2+M→MH2现在是31页\一共有174页\编辑于星期一第二步有两种可能的途径：MH2+M→MH+MHMH+H2O→M+H3O++e-

MH2+H2O→MH+H3O++e-MH+H20→M+H3O++e-现在是32页\一共有174页\编辑于星期一（2）CH3OH的阳极氧化

CH3OH+2Pt→Pt-CH2OH+Pt-HPt-CH2OH+2Pt→Pt2-CHOH+Pt-HPt2-CHOH+2Pt→Pt3-COH+Pt-H

Pt-H→Pt+H++e-

现在是33页\一共有174页\编辑于星期一缺少活性氧时

Pt3-COH→Pt2-CO+Pt+H++e-；Pt2-CO→Pt-CO+Pt

现在是34页\一共有174页\编辑于星期一(3)O2阴极还原

O2+4H++4e-→2H2OO2+2H++2e-→H2O2

H2O2+2H++2e+→2H2O

O2+2M→2MO2MO+4H++4e-→2M+2H2O现在是35页\一共有174页\编辑于星期一纳米催化剂的制备

浸入法；离子交换法；吸附法；蒸发法；醇盐法。现在是36页\一共有174页\编辑于星期一将多孔的氧化物衬底浸入均匀分散有金属纳米粒子(<2nm)的溶液中使金属纳米粒子沉积在上面，然后取出即可。现在是37页\一共有174页\编辑于星期一将衬底(沸石、SiO2

等)进行表面处理，然后将其放入含有复合离子的溶液中（复合阳离子有Pt(NH3)42+、Rh(NH3)5Cl2+

等），通过置换反应，衬底上的活性阳离子取代了复合阳离子中的贵金属离子。现在是38页\一共有174页\编辑于星期一把衬底放入含有Rb6(CO)6、Ru3(CO)12

等聚合体的有机溶剂中，将吸附在衬底上的聚合体进行分解，还原处理，就在衬底上形成了粒径约1nm的金属纳米粒子。

现在是39页\一共有174页\编辑于星期一将纯金属在惰性气体中加热蒸发，形成纳米粒子，直接附着在催化剂衬底上。此方法的优点是纯度高、尺寸可控。

现在是40页\一共有174页\编辑于星期一将金属的乙二醇盐与含有衬底元素的醇盐混合，首先形成溶胶，然后使其凝胶化、熔烧、还原，形成金属纳米粒子，并分散在衬底材料中。

现在是41页\一共有174页\编辑于星期一现在是42页\一共有174页\编辑于星期一碳纳米管的制备

火花法；

热气法；

激光轰击法。

现在是43页\一共有174页\编辑于星期一火花法将两根石墨棒连接电源，棒端间距为数毫米。通电后，电弧使石墨气化成为等离子体，此法可以制备几乎没有缺陷的单层或多层碳纳米管。

现在是44页\一共有174页\编辑于星期一热气法将基板放进加热炉里加热到600℃，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体，气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。

现在是45页\一共有174页\编辑于星期一激光轰击法用脉冲激光代替电加热使碳气化，得到碳纳米管，一般产率可达70％。优点是主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控制管的直径。

现在是46页\一共有174页\编辑于星期一电极扩散层

将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)并用称重法确定浸入的PTFE量；将碳纸置于烘箱(330-340℃)内进行热处理；现在是47页\一共有174页\编辑于星期一对其进行整平处理，消除由于碳纸或碳布表面坑凹不平，对制备催化层的影响。现在是48页\一共有174页\编辑于星期一整平工艺过程以水或水与乙醇作为溶剂，将乙炔黑或碳黑与PTFE配成重量为1:1的溶液，用超声波震荡，混合均匀，再使其沉降；倒出上部清液，将沉降物刮到经憎水处理的碳纸或碳布上，对其表面整平。现在是49页\一共有174页\编辑于星期一PEMFC工作原理现在是50页\一共有174页\编辑于星期一对PEM的要求

较好的化学和电化学稳定性；适当的力学强度和稳定性；表面性质适于与催化剂结合；对反应气体的渗透性低；质子传导率高等性质。现在是51页\一共有174页\编辑于星期一商业化的质子交换膜

优良的热稳定性和化学稳定性

吸附水的媒质现在是52页\一共有174页\编辑于星期一树脂合成的一般步骤四氟乙烯与SO3反应形成环砜；环砜与碳酸钠缩聚，随后与四氟乙烯共聚形成不溶性树脂；不溶性树脂水解制得全氟磺酸聚合物；最后在适当的电解质中将全氟磺酸聚合物的Na+交换成H+。

现在是53页\一共有174页\编辑于星期一PEMFC的典型性质指含1mol离子交换基团-SO3H的干树脂质量现在是54页\一共有174页\编辑于星期一掺杂质子酸的碳氢聚合物膜嵌段型聚合物膜

现在是55页\一共有174页\编辑于星期一聚苯并咪唑(PBI)

通过磺化和/或掺入质子导体(如无机酸)而具有质子传导性优良的抗氧化性、热稳定性和机械加工性，高温下良好的电导率，电渗系数约为零，低的气体和甲醇透过率只能应用在较为干燥的环境

现在是56页\一共有174页\编辑于星期一磺化苯乙烯/乙烯-丁二烯/苯乙烯磺化苯乙烯/乙烯-丁二烯/苯乙烯苯乙烯/异丁烯/苯乙烯

现在是57页\一共有174页\编辑于星期一MEA制备工艺进行膜的预处理。首先将质子交换膜在3%-5%过氧化氢溶液中，于80℃进行处理，取出后用去离子水洗净，再在稀硫酸溶液中80℃处理，取出用去离子水洗净后，置于去离子水中备用。现在是58页\一共有174页\编辑于星期一将制备好的多孔气体扩散型氢氧电极浸入或喷上全氟磺酸树脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为0.6mg／cm2～1.2mg／cm2,在60℃～80℃下烘干。现在是59页\一共有174页\编辑于星期一在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极，置于两块不锈钢平板中间，放入热压机中。在130-135℃，压力6Mpa-9MPa下热压60s-90s，取出，冷却降温。

现在是60页\一共有174页\编辑于星期一双极板功能分隔氧化剂与还原剂,要求双极板必须具有阻气功能，不能用多孔透气材料；具有集流作用,因此必须是电的良导体；现在是61页\一共有174页\编辑于星期一已开发的几种燃料电池，电解质为酸(H+)或碱(OH-)，故双极板材料在工作电位下，并有氧化介质(如氧气)或还原介质(如氢气)存在时，必须具有抗腐蚀能力；

现在是62页\一共有174页\编辑于星期一在双极板两侧加工或置有使反应气体均匀分布的流道，即所谓的流畅,以确保反应气在整个电极各处能均匀分布；应是热的良导体，以确保电池组的温度均匀分布和排热方案的实施现在是63页\一共有174页\编辑于星期一机加工石墨板；金属涂装板；复合双极板。

现在是64页\一共有174页\编辑于星期一优点：良好的导电、导热性以及耐腐蚀性缺点：抗折强度、抗压强度、弹性模量较低、费工时而高价格现在是65页\一共有174页\编辑于星期一高的电导率，好的力学强度，价格不高，生产工艺多样；易溶解和腐蚀不可避免。现在是66页\一共有174页\编辑于星期一具有可塑性，流动性和粘接性，并可挤出、注射和模压成型，形状多样、低成本；合适导电填料和高分子材料的选用。

现在是67页\一共有174页\编辑于星期一水管理技术；密封技术；排热技术。现在是68页\一共有174页\编辑于星期一增湿技术；排水技术。

现在是69页\一共有174页\编辑于星期一外增湿内增湿自增湿组合增湿

现在是70页\一共有174页\编辑于星期一升温增湿(冒泡增湿)；渗透膜增湿；直接液态水注射增湿。

现在是71页\一共有174页\编辑于星期一现在是72页\一共有174页\编辑于星期一双极板内增湿；扩散层内增湿。现在是73页\一共有174页\编辑于星期一现在是74页\一共有174页\编辑于星期一现在是75页\一共有174页\编辑于星期一现在是76页\一共有174页\编辑于星期一流场排水动态排水

现在是77页\一共有174页\编辑于星期一现在是78页\一共有174页\编辑于星期一现在是79页\一共有174页\编辑于星期一现在是80页\一共有174页\编辑于星期一现在是81页\一共有174页\编辑于星期一现在是82页\一共有174页\编辑于星期一能源材料第六章熔融碳酸盐燃料电池材料现在是83页\一共有174页\编辑于星期一主要内容熔融碳酸盐电池；性能曲线影响因素；MCFC材料；MCFC关键技术。现在是84页\一共有174页\编辑于星期一MCFC的两方面工作应用基础研究；试验电厂的建设。

现在是85页\一共有174页\编辑于星期一现在是86页\一共有174页\编辑于星期一

MCFC的电极反应阴极反应

O2+2CO2+4e-

→2CO32-

阳极反应2H2+2CO32-

→2CO2+2H2O+4e-

总反应

O2+2H2

→2H2O

现在是87页\一共有174页\编辑于星期一压力；温度；反应气体组成和使用率；杂质；电流密度；运行时间。现在是88页\一共有174页\编辑于星期一压力的影响

如果阴极、阳极的CO2分压相等，则电动势E与CO2分压无关；否则CO2分压会影响电池的电动势。现在是89页\一共有174页\编辑于星期一甲烷化作用导致反应物的大量损失，降低发电效率。添加H2O和CO2调节平衡气体成分，减少作用影响。2CO→C+CO2CO+3H2→CH4+H2OCH4→C+2H2CO2+H2→CO+H2O碳沉积阻塞阳极的气体通路。通过提高H2O的分压，能够避免碳沉积现在是90页\一共有174页\编辑于星期一NiO+CO2→Ni2++CO32-

Ni2++CO32-+H2→Ni+CO2+H2O△Ep（mV）=76.5log(p2/p1)对采用NiO作阳极的MCFC，NiO的溶解速度与pCO2成正比现在是91页\一共有174页\编辑于星期一△Ep(mV)=76.5log(p2/p1)现在是92页\一共有174页\编辑于星期一温度的影响

温度的变化将影响燃料气体的平衡组成，进而改变可逆电动势。

现在是93页\一共有174页\编辑于星期一现在是94页\一共有174页\编辑于星期一△Ut(mV)=2.16(t2-t1)575℃≤t≤60O℃△Ut(mV)=1.40(t2-t1)600℃≤t≤650℃△Ut(mV)=0.25(t2-t1)650℃≤t≤700℃现在是95页\一共有174页\编辑于星期一反应气体组成和使用率的影响

现在是96页\一共有174页\编辑于星期一现在是97页\一共有174页\编辑于星期一杂质的影响

现在是98页\一共有174页\编辑于星期一电流密度的影响

△UJ(mA)=-1.21△J50<J<150△UJ(mA)=-1.76△J150<J<200[其中J为电池工作电流密度（mA/cm2）]随着J的增大，线性欧姆增大。

现在是99页\一共有174页\编辑于星期一运行时间的影响

△U寿命(mA)=-5mV/1000h

现在是100页\一共有174页\编辑于星期一电池隔膜；MCFC的电极；双极板。

现在是101页\一共有174页\编辑于星期一隔膜寿命主要决定因素隔膜本身孔结构发生变化，形成大孔，隔膜阻气能力降低；电解质蒸发、腐蚀等原因引起电解质流失，隔膜阻气能力降低。

现在是102页\一共有174页\编辑于星期一电解质隔膜寿命指标隔膜阻气压差：△P≥0.1MPa，隔膜孔径D≤7.92μm；隔膜孔隙率：40％≤p≤70％。现在是103页\一共有174页\编辑于星期一现在是104页\一共有174页\编辑于星期一现在是105页\一共有174页\编辑于星期一

阴极熔解；阳极蠕变；双极板腐蚀；电解质流失。现在是106页\一共有174页\编辑于星期一阴极熔解短路机理NiO+CO2→Ni2++CO32-Ni2++CO32-+H2→Ni+CO2+H2O现在是107页\一共有174页\编辑于星期一提高阴极抗腐蚀能力措施在NiO阴极中加入少量Co、Ag或LaO等。（如阴极NiO-GeO3是NiO中添加质量分数为0.3%Ge而制得，它的熔解速率是NiO的0.1倍。）现在是108页\一共有174页\编辑于星期一改变操作条件，降低阴极NiO溶解速率。（反应气CO2分压，就可降低阴极熔解速度。又如在电解质盐中加入碱土类碳酸盐BaCO3、SrCO3和CaCO3等，以抑制NiO的熔解。）现在是109页\一共有174页\编辑于星期一寻找新型材料，代替NiO阴极。（如用熔融盐法和高温固态反应法制备钙钛矿和尖晶石之类的材料，既有较高电导率和交换电流密度，又有较低溶解速率。）现在是110页\一共有174页\编辑于星期一现在是111页\一共有174页\编辑于星期一NiO的溶解机理当CO2的含量较高时，主要是酸性熔解，即：NiO+CO2→Ni2++CO32-

现在是112页\一共有174页\编辑于星期一在CO2含量较低时，主要为碱性溶解，即：NiO+CO32-→NiO22-+CO2

NiO+0.50CO32-+0.25O2→NiO22-+0.5CO2

现在是113页\一共有174页\编辑于星期一掺杂改性的NiO阴极在熔盐中的溶解行为及机理；表面改性的NiO阴极在溶盐中的溶解行为及机理。现在是114页\一共有174页\编辑于星期一现在是115页\一共有174页\编辑于星期一现在是116页\一共有174页\编辑于星期一现在是117页\一共有174页\编辑于星期一日本学者对MgO/NiO阴极

溶解机理的解释添加在NiO中的MgO因溶解在碳酸盐中而提高了熔盐的“碱性”，从而在一定程度上减缓了NiO在电解质中的“酸性溶解”；添加到NiO中的MgO的含量非常低，几乎不能对熔盐体系的碱性的大小产生影响现在是118页\一共有174页\编辑于星期一MgO提高了NiO的稳定性，亦即MgO和NiO形成固溶体Mg1-xNixO，结构上比上述两种氧化物都稳定，因此在熔融碳酸盐中的溶解度也较低。没有直接证据说明熔融碳酸盐中固溶体结构比NiO和MgO稳定现在是119页\一共有174页\编辑于星期一

MgO(s)←→Mg2+(l)+O2-(l)NiO(s)←→Ni2+(l)+O2-(l)现在是120页\一共有174页\编辑于星期一现在是121页\一共有174页\编辑于星期一现在是122页\一共有174页\编辑于星期一现在是123页\一共有174页\编辑于星期一向Ni阳极中加入Cr、Al等元素；向Ni阳极中加入非金属氧化物；在超细LiAl02或SrTi03表面上化学镀一层Ni或Cu。现在是124页\一共有174页\编辑于星期一表面包覆Ni或Ni-Cr-Fe耐热合金，或镀Al或Co；表面先形成一层NiO，然后与阳极接触的部分再镀一层镍-铁酸盐-铬合金层；以气密性好、强度高的石墨板作电池极板。

现在是125页\一共有174页\编辑于星期一阴极熔解导致流失；

阳极腐蚀导致流失；双极板腐蚀导致流失；熔盐电解质蒸发损失导致流失；电解质迁移损失导致流失。现在是126页\一共有174页\编辑于星期一能源材料第六章固体氧化物燃料电池材料现在是127页\一共有174页\编辑于星期一主要内容固体氧化物电池简介；电池材料；现在是128页\一共有174页\编辑于星期一

SOFC的研发始于20世纪40年代，80年代以后得到蓬勃发展。美国西屋电气公司研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。现在是129页\一共有174页\编辑于星期一我国国内技术水平则明显落后。中国矿业大学从1998年开始SOFC基础材料研究，独立完成了电解质材料YSZ纳米超细粉体制备，采用流延成型工艺制备了电解质薄膜，其瓷体致密度达到96-99％，电导率(1000℃)0.16S·cm-1，单体电池电压输出1.18V。现在是130页\一共有174页\编辑于星期一现在是131页\一共有174页\编辑于星期一现在是132页\一共有174页\编辑于星期一单体燃料电池组成电解质；阳极或燃料极；阴极或空气极；连接体或双极分离器。

现在是133页\一共有174页\编辑于星期一现在是134页\一共有174页\编辑于星期一管状结构电池堆单体电池自由度大，不易开裂；采用多孔陶瓷作为支撑体，结构坚固；不用高温密封，容易连接。现在是135页\一共有174页\编辑于星期一电流流经路径长,内阻欧姆损失大；支撑管重量和体积大，能量密度低；支撑管厚，气体扩散成为控制步骤；须电化学汽相沉积法制备电解质和电极层，生产成本高。现在是136页\一共有174页\编辑于星期一现在是137页\一共有174页\编辑于星期一平板结构电池堆几何形状简单其制作工艺大为简化。路径短，内阻欧姆损失小，能量密度高；结构灵活，气体流通方式多；组元分开制备和组装，工艺简便，电池质量容易控制；电解质薄膜化，可以降低工作低温(700-800℃)，从而可采用金属连接体。现在是138页\一共有174页\编辑于星期一采用陶瓷-玻璃压缩封闭，易造成层间裂纹；连接处电阻高，损失大。现在是139页\一共有174页\编辑于星期一SOFC的优点

发电效率高，能量密度大；燃料使用面广；余热利用价值高；无须使用贵金属作为电极催化剂；适合进行模块化设计和放大，避免了液态电解质所带来的腐蚀等问题。现在是140页\一共有174页\编辑于星期一阳极的基本要求稳定性在燃料气氛中，阳极必须在化学、形貌和尺度上保持稳定。此外，阳极材料不能在室温至制备温度的范围内产生有较大摩尔体积变化的相变。

现在是141页\一共有174页\编辑于星期一电导率

阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子电导率，以降低阳极的欧姆极化。现在是142页\一共有174页\编辑于星期一相容性

阳极材料与相接触的其他电池材料必须在室温至制备温度范围内化学上相容。现在是143页\一共有174页\编辑于星期一热膨胀系数

阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系数相匹配，以避免在电池制备、操作和热循环过程中发生碎裂或剥离。现在是144页\一共有174页\编辑于星期一孔隙率

阳极具有足够高的孔隙率，以确保燃料的供应及反应产物的排出。孔隙率的下限可根据电极上发生的传质过程予以确定，上限则必须考虑电极的强度。

现在是145页\一共有174页\编辑于星期一催化活性

阳极材料必须具有足够高的催化活性，即低的电化学极化，并对杂质具有允许限度。对于以甲烷或其他烃类为燃料的SOFC，要求阳极材料对重整反应具有高的催化活性和抗积炭能力。现在是146页\一共有174页\编辑于星期一除了以上基本要求外，SOFC阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低的特点。

现在是147页\一共有174页\编辑于星期一Ni-YSZ金属陶瓷阳极制备；物理性质；稳定性；导电性；热膨胀。

现在是148页\一共有174页\编辑于星期一传统的陶瓷成型技术(流延法、轧膜法)；涂膜技术(丝网印刷法、浆料涂覆法)；沉积技术(化学气相沉积法、等离子体溅射法)。现在是149页\一共有174页\编辑于星期一现在是150页\一共有174页\编辑于星期一Ni和YSZ在还原气氛中具有较高的化学稳定性，且在室温至SOFC操作温度范围内无相变产生。YSZ不能形成连续的骨架以负载Ni颗粒，在NiO还原后经过长时间的运行，Ni-YSZ阳极的尺寸和结构就会发生明显的改变。现在是151页\一共有174页\编辑于星期一Ni-YSZ金属陶瓷阳极的烧结速率与Ni颗粒分布密切相关，其中Ni颗粒尺寸分布越宽，电极的烧结速度越快。高Ni含量的阳极较低含量阳极烧结退化速度快。现在是152页\一共有174页\编辑于星期一Ni-YSZ金属陶瓷阳极的电导率与其中的Ni的含量密切相关。现在是153页\一共有174页\编辑于星期一低比表面积可以使Ni很好的分散，有利于Ni颗粒间的接触，提高金属陶瓷阳极的电导率。现在是154页\一共有174页\编辑于星期一Ni-YSZ阳极的热膨胀系数随组成不同而发生改变。可在电解质中搀入添加剂的方法来提高电解质对因膨胀系数不匹配而产生应力的抵抗能力。现在是155页\一共有174页\编辑于星期一现在是156页\一共有174页\编辑于星期一阴极材料基本要求

稳