氢能与燃料电池技术 课件 5-燃料电池

第七章

燃料电池7.1燃料电池概述2威廉•格罗夫爵士（SirWilliamGrove1811—1896）威廉•格罗夫爵士发明的早期燃料电池为了纪念格罗夫爵士，国际氢能协会（IAHE）设立了“威廉·格罗夫爵士”奖（SirWilliamGroveAward），该奖项专门授予在电化学领域对氢能研究和利用做出突出贡献的组织和个人。7.1.1燃料电池的结构燃料电池的原理起源世界上第一个简易燃料电池威廉•格罗夫爵士1839年首次组装尚班1838年首次提出燃料电池概念2燃料电池的组成燃料电池发电系统示意图燃料电池发电系统的组成部件系统核心2燃料电池的组成电堆中每个单电池的均一性显得尤为重要，单电池的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。燃料电池系统的构成数百节单电池串接辅助系统科研院所研究电池关键材料和部件工厂、企业研究电池设计构造及性能单电池均一性的控制2常见的电堆均一性问题：操作过程生成水累积引起的不均一电堆边缘效应引起的不均一材料、部件及结构的均一性单电池的均一性电堆的均一性组装、操作因素决定决定电堆的性能影响提升电堆性能时，单电池均一性的控制是科研人员面临的一大技术难题。2燃料电池电堆的研究进展电堆性能：1000mA/cm2电流密度下，体积比功率达到2736W/L，质量比功率达到2210W/kg。总体性能与同时期国外水平相当。中国科学院大连化学物理研究所自主开发的燃料电池电堆电堆性能：采用3D流场设计，使流体产生垂直于催化层的分量，强化了传质，降低了传质极化，体积比功率可达3100W/L。日本丰田Mirai燃料电池(a)3D流场和(b)电堆7.1.2燃料电池的关键材料和部件2单电池电极催化剂电解质/隔膜（固体电解质叫做隔膜）催化剂/膜核心组件（CatalystCoatedMembrane，简称CCM）膜电极核心组件（MembraneElectrodeAssemblies，简称MEA）双极板连接单电池构建燃料电池堆的重要组件27.1.2.1燃料电池的关键材料——电极具有一定的机械强度；具备高的孔隙率和适合的孔分布；具有高的电子导电性；导热性能好。电极阳极电极阴极（电化学反应场所）（氧化反应）（还原反应）（石墨化的碳纸和碳布应用广泛）电极材料要求：27.1.2.1燃料电池的关键材料——催化剂2019年全球铂族金属资源分布年份201720202025单位铂用量g(Pt)/kW1712.510燃料电池出货量（按MW计）402001000总需求量（t）0.682.510燃料电池的铂需求量预测商用Pt/C催化剂及其微观分散情况催化剂的研究现状及发展方向2受铂资源和成本影响，低铂化是燃料电池催化剂的发展方向。催化剂现状：2020年，燃料电池汽车铂催化剂的用量已从10年前的1.0g(Pt)/kW降至0.2g(Pt)/kW；进一步降低，催化剂中铂载量有望达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平（<0.05g(Pt)/kW）。燃料电池催化剂铂-金属催化剂铂核壳催化剂铂单原子层催化剂非贵金属催化剂研发机构产品性能国外日本Tanaka建立了稳定的催化剂供应系统，为本田Clarity燃料电池汽车提供铂催化剂英国JohnsonMatthey铂纯度达到99.95%，拥有全世界最先进的催化剂生产技术德国BASF全球最大的化工产品研发企业国内贵研铂业铂纯度>99.99%，比表面积28±1.0m2/g武汉喜马拉雅铂催化剂日产能力达到200g，催化剂粒径2-3nm，电化学活性面积达到90m2/g中科中创40wt%，60wt%的铂单批次产能达到200g，催化剂粒径2.8nm，电化学活性面积为85m2/g铂催化剂的国内外部分研发机构及其性能2催化剂的研究现状及发展方向催化剂性能要求：

催化剂

性能要求耐CO中毒抗甲醇氧化分散用量小接触电阻小耐酸腐蚀导电好耐腐蚀比表面积高导电性好抗氧化性好电催化活性好稳定性好合适的载体27.1.2.1燃料电池关键材料——电解质根据燃料电池种类和用途不同，电解质材料目前主要有两个方向发展：先以石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内；采用全氟磺酸树脂高分子膜和氧化锆陶瓷膜。无机多孔膜（微米级厚度）固体电解质电解质液体电解质（分隔燃料与氧化并传导离子）（隔膜）电解质层越薄，离子传导效果越好。2质子交换膜的性能要求质子交换膜要求高质子导电性低气体渗透率低廉的价格化学和机械稳定性足够质子交换膜要求2质子交换膜的分类类型优点缺点组成成分全氟磺酸质子交换膜机械强度高，化学稳定性好，在湿度大的条件下导电率高；低温时电流密度大，质子传导电阻小保水性能较差，温度升高会引起质子传导性变差由全氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成，具有极高的化学稳定性部分氟化质子交换膜可适当降低膜成本电化学性能不如全氟磺酸质子交换膜主链部分含氟，质子交换基团一般是磺酸基团非氟质子交换膜价格便宜；含极性基团的非氟聚合物亲水能力在很宽温度范围内都很高，膜保水能力较高；稳定性有较大改善溶胀度较高且随着温度的降低，膜的吸水率下降幅度大，导致膜的质子传导率大幅降低，化学稳定性不如含氟膜全芳香型非氟碳氢化合物，质子交换基团一般是磺酸基团质子交换膜的分类级优缺点2电解质研究进展全氟磺酸膜商业化全氟磺酸膜：Nafion、Flemion、Aciplex、Dow全氟长链骨架和聚醚支链（化学稳定）接枝磺酸基团（高质子电导）美国杜邦公司生产的全氟磺酸Nafion212,115,117等系列膜应用最广泛。国内山东东岳公司已建成年产50t的全氟磺酸树脂生产装置、年产10万m2的氯碱离子膜工程装置和燃料电池质子交换膜连续化实验装置，生产的膜产品性能已达到商品化水平。目前质子交换膜逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米。2电解质研究进展地区生产厂家产品型号厚度（微米，单位µm）E.W值（等效摩尔质量，equivalentweight）备注地区生产厂家产品型号厚度（微米）E.W值（等效摩尔质量）备注海外科慕Nafion系列膜25-2501100-1200化学稳定性好，机械强度高，高湿度下质子电导率高，低温下电流密度大、质子传导电阻小，目前市场占有率最高GoreGore-select复合——改性全氟磺酸膜，技术处于全球领先地位3MPAIF复合膜——主要用于碱性工作环境旭硝子Flemion系列膜50-1201000具有较长支链，性能与Nafion膜相当旭化成Alciplex膜25-10001000-1200具有较长支链，性能与Nafion膜相当Dow陶氏Xus-B204膜125800因含氟侧链短，合成难度大且价格高，现先已停产国内东岳集团DF988，DF2801膜50-150800-1200高性能，适用于高温PEMFC的短链全氟磺酸膜武汉理工新能源复合质子交换膜10-20—已向国内外多家研究单位提供测试样品并获得好评质子交换膜的国内外部分研发机构及其性能第七章

燃料电池7.1.2.2燃料电池的关键部件——双极板2双极板（电堆重要部件之一）提供气体流场，防止气体相互渗透收集电子，建立电流通路2双极板材料的要求双极板要求阻气渗透性好电导率高温场均匀低成本、易加工流场均匀机械性能好、轻、薄双极板要求2流场的类型及作用几种典型的双极板流场主要作用：引导反应气、液流动方向，确保反应气、液在电极表面均匀分配，经扩散层到达催化层参与电化学反应。流场的设计2平行和蛇形流场应用较为广泛计算机模拟仿真优化流场计算机模拟仿真双极板平行流场和蛇形流场的压力、温度、水和氢气分布2双极板材料的分类及特点炭质双极板主要为石墨材料优点：石墨双极板的化学性质稳定，耐腐蚀性强，耐久性好，与膜电极之间的接触电阻小；缺点：石墨太脆，机械性能较差，装电堆时不能承受过高的压力，制作周期长，成本高。金属双极板铝、镍、钛以及不锈钢优点：金属强度高、韧性好，而且导电、导热性能好，功率密度更大，可制成超薄双极板，能显著提升电池功率密度；缺点：不锈钢和钛的表面都容易形成不导电的氧化物膜使接触电阻增高，会降低电池效率。复合双极板石墨和金属复合目前的成本较高，导电性和机械性能还有待提升。未来，燃料电池将向低成本的复合双极板发展。2国内外双极板研究现状目前中国科学院大连化学物理研究所、新源动力股份有限公司、上海交通大学、武汉理工大学等单位已成功开发了金属双极板产业化技术。德国ZSW机构采用机器人自动雕刻双极板和堆叠燃料电池德国太阳能氢研究中心能量储存与转化研究所（简称ZSW）采用机器人自动雕刻燃料电池双极板，实现了燃料电池自动化堆叠。2国内外双极板研究现状双极板类型主要厂家导电率（S/cm）抗弯强度（MPa）腐蚀电流（µA/cm2）接触电阻（mΩ•cm2）石墨双极板美国POCO>100>34——加拿大Ballard—50——上海弘枫>100>50——金属双极板瑞典Cellimpact——0.5—德国Dana——0.5—大连新源动力——0.5—上海佑戈——<13上海治臻新能源——<15复合双极板大连新源动力————武汉喜马拉雅>62.5>51——双极板的国内外部分研发机构及其性能27.1.2.3燃料电池关键部件——MEA热压和喷涂是制作MEA的关键工艺！膜电极及其结构（电堆核心部件之一）MEA组件关键材料质子交换膜催化剂电极（关键材料需匹配良好，结合均匀紧密，界面性能好）2MEA技术路线第一代CCS法第二代CCM法第三代有序化制备工艺简单，技术已基本成熟，但催化剂利用率低，催化剂和质子交换膜结合力较差，界面阻力大，膜电极整体性能不佳实现了材料超薄化，减小了欧姆降，制备的膜电极性能良好，被认为是燃料电池电堆技术的第二次革命，目前工业应用最广泛的主流方法，但也存在膜变形和膜吸收催化剂等问题扩大了三相反应界面，形成优良的多相传质通道，大幅提升催化剂利用率、膜电极性能，但有序化控制难度大，制备设备要求高，产业化应用还需时日2MEA发展现状

研发单位功率密度铂载量国外美国3M0.86W/cm2@0.692V0.115mg(Pt)/cm2美国Gore—0.175g(Pt)/kW国内武汉理工新能源1W/cm20.4g(Pt)/kW大连新源动力0.8W/cm2@1200mA/cm20.4g(Pt)/kW昆山桑莱特>0.75W/cm2@0.6V—南京东焱氢能0.8W/cm2@0.65V—苏州擎动0.8W/cm2—膜电极的国内外部分研发机构及其性能2MEA发展现状燃料电池关键材料最新技术及下一代膜电极的设计2总结虽然燃料电池各关键材料和组件已经形成较完整的产业链，但大多数电池关键材料和组件核心技术仍然被国外垄断，需进口，国内的电池关键材料和组件生产制备技术还需进一步提升和大力发展。第七章

燃料电池7.1.3燃料电池的工作原理2燃料电池工作原理图燃料电池系统实物图（电化学装置）氧化剂还原反应燃料和氧化剂储罐（储存能量）电池回路燃料氧化反应电堆（决定输出功率）2氢氧燃料电池当以氢气为燃料，氧气为氧化剂时，氢氧燃料电池的阳极、阴极以及总反应式如下：阳极反应：2H2→4Ｈ＋+4ｅ-阴极反应：O2+4H++4ｅ-→2H2O电池总反应：2H2+O2→2H2O

可以看做电解水的逆向过程。氢氧燃料电池工作原理图2燃料电池的工作曲线燃料电池放电时，由于各种极化作用，电压会随电流密度增加而逐渐降低，结果表现为电流密度-电压曲线（又称IV曲线或极化曲线）。该曲线是燃料电池的典型放电曲线，也是衡量燃料电池性能的重要指标之一。燃料电池的实际放电曲线燃料电池的理论极化特性曲线第七章

燃料电池7.1.4燃料电池的特点2热能机械能化学能电能热机过程燃料电池燃料电池直接发电与热机间接发电的差别燃料电池具有以下几个特点发电效率高环境污染小比能量高噪音低燃料范围广可靠性高防红外探测易于建设27.1.5燃料电池的分类和应用燃料电池的分类质子交换膜燃料电池(PEMFC)磷酸燃料电池(PAFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)碱性燃料电池(AFC)燃料电池通常按电解质的类型来分类：2各种燃料电池比较电池种类碱性燃料电池磷酸燃料电池质子交换膜燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池电解质氢氧化钾磷酸溶液质子交换膜碳酸钾氧化锆工作温度（℃）25-250150-21025-100600-700600-1100能量转化效率（%）6540-60554850-65功率密度（W/kg）35-105120-180340-300030-4015-20启动时间（s）>60>60<5>600>600寿命（万小时）58-156-822-9应用领域航空航天中小型发电站动力汽车、便携电源大型发电站大型发电站燃料电池的应用27.1.6燃料电池的发展历程2早期实验室阶段（构建电池模型）

中期军用阶段（航空航天领域的应用）

现在民用推广阶段（交通工具和发电领域的应用）燃料电池砥砺前行，通过一代代研究人员的努力，其性能不断提升，成本不断降低，应用范围不断扩大。27.1.6.1国内外燃料电池的发展现状第一代第二代第三代第四代第五代按出现的时间先后，燃料电池经历了第一代至第五代。碱性燃料电池磷酸燃料电池固体氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池22019年，氢能首次写入《政府工作报告》，成为国家能源战略的重要组成部分，为我国燃料电池的发展带来了新的机遇。近年来，我国燃料电池技术发展迅速。20世纪50年代末我国开始研究燃料电池70年代

研究出现了第一次高峰，主要是国家投资的航天用碱性燃料电池，如氨/空气燃料电池、肼/空气燃料电池、乙二醇/空气燃料电池等80年代我国燃料电池研究处于低潮90年代随着国外燃料电池技术取得了重大进展，国内又形成了新一轮的燃料电池研究热潮7.1.6.1国内外燃料电池的发展现状我国燃料电池汽车发展目标2我国第一辆燃料电池轻型客车FCV80我国第一辆燃料电池乘用车——格罗夫2020年，中国燃料电池车辆要达到1万辆、加氢站数量达到100座，行业总产值达到3000亿元；2030年，燃料电池车辆保有量要“撞线”200万，加氢站数量达到1000座，产业产值将突破1万亿元。《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》

提出目标：2我国燃料电池产业总体规划（2019）产业目标现状（2019年）近期目标（2020-2025年）中期目标（2026-2035年）远期目标（2035-2050）氢能源比例（%）2.745.910加氢站（座）23200150010000燃料电池车（万辆）0.25130500固定式电源/电站（座）2001000500020000燃料电池系统（万套）16150550第七章

燃料电池7.1.6.2日本的燃料电池发展现状及规划2峰值功率工作电压0.85V电堆功率密度9kW/L最大工作温度120℃耐久性大于15年续航里程1000km燃料电池堆成本1000日元/kW日本氢燃料电池汽车Mirai日本新能源产业技术综合开发机构NEDO2040年发展目标：2日本燃料电池汽车发展现状及规划丰田和本田均已推出搭载峰值功率密度3.1kW/L电堆的燃料电池汽车。日本丰田和本田燃料电池堆工作温度区间为75~80℃，电堆冷却液进出口温差在7~15℃。日本丰田Mirai和本田Clarity两款燃料电池汽车满载储氢质量都为5kg(70Mpa)，在JC08工况下续航里程分别为650km和750km。日本NEDO设定的燃料电池堆成本目标值为1000日元/kW，燃料电池系统成本目标值为2000日元/kW，氢瓶成本目标值为10万日元。发展现状峰值功率密度电堆成本续航里程工作温度2燃料电池汽车的寿命的影响因素燃料电池寿命电堆寿命质子交换膜催化层双极板气体扩散层燃料电池汽车长时间运行后关键材料和部件会发生降解2燃料电池汽车的寿命的影响因素Pt/C催化剂降解和Nafion降解：通常包含微晶迁移合并机制、电化学熟化机制、Pt融解且在离子导体中再沉积机制、碳腐蚀机制等降解机制。催化层中Nafion和质子交换膜组成、结构相似，因此降解机制和质子膜类似。机械降解：质子交换膜工作湿度不断发生变化，内部产生较大的周期性内应力，导致膜强度下降，甚至形成孔洞，严重降低寿命。化学降解：电池在怠速和开路状态下，内部形成大量H2O2，加上一些过渡金属二价离子杂质催化，H2O2会转变成活性很强的基团，加速膜的降解。质子交换膜催化层2燃料电池汽车的寿命的影响因素变形和腐蚀：石墨装电堆时不能承受过高的压力，长时间压力作用下工作容易变形，甚至破裂，而且石墨在酸碱和强氧化条件下，会被逐渐腐蚀，甚至形成孔洞，影响单电池均一性，降低电池寿命。氧化：采用不锈钢和钛为材料的金属双极板表面随着电池的运行，会逐渐形成不导电的氧化物膜，使接触电阻增高，降低电池效率。机械降解：在机械应力、气体和水冲蚀等作用下，PTFE脱落降低疏水性影响水气传输性能，同时微孔层孔径可能发生变化甚至部分脱落。电化学降解：高电势条件下，气体扩散层基质中的碳纤维和微孔层中的碳颗粒发生氧化腐蚀，改变组成和结构，影响性能和降低耐久性。气体扩散层双极板2丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈特点由370片单电池组成的，一共可以输出114kW的发电功率首次采用了3Dfine-mesh空气流场特点这种亲水性3D流场通过改善电池排水和气体扩散性能，有效保证了电池平面发电的均一性，提升了电堆的性能。2几款主流燃料电池汽车性能对比

车型指标丰田Mirai现代IX35通用Equinox日产X-trial奔驰F-Cell本田Clarity车重（kg）185022901800186017181890最高车速（km/h）1751601601501701650-100km/h加速时间（s）9.612.5121411.38.8燃料电池功率（kW）114（2020年新一代升级为128）1009290100103燃料电池体积/重量37L/56kg60L130kg34L/43kg——燃料电池功率密度3.1kW/L（2020年新一代升级为4.4）；2.0kW/kg1.65kW/L0.7kW/kg2.5kW/L—3.1kW/L燃料电池低温性能（°C）-30-30-30-30-25-30燃料电池铂用量（g）20403040——燃料电池耐久性（h）>500050005500—>2000—续航里程（km）650（2020年新一代升级为850）5943205006167507.2碱性燃料电池（AFC）2碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，简称AFC），最早由美国航天局开发并在20世纪60年代就成功应用于美国阿波罗登月宇宙飞船和航天飞机。阿波罗登月宇宙飞船航天飞机27.2.1碱性燃料电池的结构与工作原理阳极反应：2H2+4OH-→4H2O+4

e-阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-电池反应：2H2+

O2

→2H2O结构工作原理35%-45%的KOH或NaOH溶液2碱性燃料电池的类型石棉膜基体型碱性燃料电池自由电解液型碱性燃料电池以吸附了饱和KOH溶液的石棉膜作为电解质隔膜氢电极背面的多孔镍制隔板可储存电解液，调节电解液体积变化7.2.2碱性燃料电池的特点2优点技术成熟，高能量转化效率室温可快速启动，迅速达额定负荷运行稳定，寿命长不足CO2会毒害碱性电解质，只能用纯H2作为燃料电解液有腐蚀性和污染性，浓度需要控制恒定催化剂采用贵金属Pt，成本高碱性燃料电池27.2.3

碱性燃料电池的发展现状AFCEnergy开发的新型碱性燃料电池世界第一款燃料电池AIP潜艇近年来，AFCEnergy新开发的碱性燃料电池体积小，性能高，能够接受低品位氢燃料来源，有望应用于交通领域。国内中科院大连化物所在70年代也组装了kW级碱性燃料电池并成功应用。2中温与低温碱性燃料电池近年来，研究人员在CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂方面取得了较大的进展，为低温碱性燃料电池的交通工具应用创造了可能性，但其真正要实现商业化还有较长的路要走。工作温度应用方向中温碱性燃料电池约为250℃安全可靠的太空电源低温碱性燃料电池低于100℃便携式电源和交通工具动力电源2思考题（1）为什么国内的碱性燃料电池近年来发展缓慢呢？（2）低温碱性燃料电池未来能作为汽车的动力来源吗？7.3磷酸型燃料电池（PAFC）27.3.1磷酸燃料电池的结构及工作原理磷酸燃料电池空气极电解质层燃料极基材催化剂层实质是两块涂布有催化剂的多孔碳素板电极黏滞液体磷酸电解质硅碳化物隔膜多孔硅碳化物隔膜经浓磷酸饱和浸泡后，可以通过内部的毛细管作用来储存磷酸电解质基材催化剂层实质是两块涂布有催化剂的多孔碳素板电极结构示意图2磷酸燃料电池的结构及工作磷酸燃料电池工作原理图、电堆结构示意图及电堆阳极反应：2H2→4Ｈ++4ｅ-阴极反应：O2+4H++4ｅ-→2H2O电池总反应：2H2+O2→2H2O氢原子在燃料极释放电子成为氢离子氢离子通过电解质层在空气极与氧离子发生反应生成水27.3.2磷酸燃料电池的特点优点对杂质耐受性较强，不需纯氢作燃料构造简单、稳定电解质挥发度低合理的启动时间不足工作温度偏高，150-200℃能量损耗较大磷酸电解液温度必须保持在冰点42℃以上采用贵金属催化剂7.3.3磷酸燃料电池的发展现状2国家电堆功率电池性能备注美国kW-MW级20世纪60年代，世界上最早开始磷酸燃料电池研发，70年代后期开发出合适的碳黑和石墨等电池零部件电池性能取得重大突破，在1985～1989年投入到磷酸燃料电池研究开发经费高达1.22亿美元，已建造了1MW，4.5MW和7.5MW的电站。技术开发最早，应用很成功日本kW-MW级20世纪70年代，日本NEOD紧随美国开始磷酸燃料电池研发，1991年东芝与美国联合开发了11MW的电站，随后多家公司如大坂煤气、富士电机等都参与了磷酸燃料电池的开发与制造工作，在1981～1990年用于磷酸燃料电池的费用也达到1.15亿美元，已建成各种kW到MW级电站。应用很成功德国不清楚2006年，大众开发出了可在120℃高温下工作的磷酸燃料电池，此款燃料电池在温度达到130℃时效率也不会降低，他们认为整个燃料电池系统所需要的部件可削减至1/3。应用情况不清楚意大利kW-MW级1995年，意大利米兰市能源公司、Ansaldo公司、ENEA联合设计了建设的以甲烷为燃料的1.3兆瓦的磷酸型燃料电池热电厂在米兰市竣工发电，这是欧洲建成的第一座1.3MWPAFC电厂。应用较成功中国————关注度不足，市场需求少，行业发展缓慢2磷酸燃料电池的应用情况据统计，目前有100多台200kW磷酸燃料电池正在北美、日本与欧洲运行，最长的已运行37000h，实际应用证明磷酸燃料电池是高度可靠的电源。近年来国际上研究磷酸燃料电池的工作也相应减少，寄希望于批量生产降低售价。热电效率仅有40%左右启动时间长，不适用作移动动力源余热仅200℃，利用价值低PAFC2磷酸燃料电池存在的问题及解决办法电池功率密度偏低开发高活性催化剂，优化多孔气体电极结构，研制超薄的导热、导电性能良好的电极基体材料等都将改善电池的输出性能电池寿命较短，稳定性较差研究催化剂Pt微晶聚集长大以及催化剂载体腐蚀问题，开发保证电池温度分布均匀的冷却方式，以及寻找避免电池在低的用电负荷或空载时出现较高电极电位的方法。电池制造成本偏高在电池性能方面，提高电池功率密度，简化电池结构都是非常有效的措施。在电池加工方面，则待开发电池部件的大批量、大型化制造技术以及气室分隔板与电极基板组合的技术2思考题（1）为什么我国不重视磷酸燃料电池的开发呢？（2）如果我国要开展磷酸燃料电池的研究，应该从哪些方便入手？7.4质子交换膜燃料电池（PEMFC）2催化剂质子交换膜气体扩散层质子交换膜燃料电池（PEMFC）轻型汽车便携式电源小型驱动装置7.4.1质子交换膜燃料电池的结构及工作原理双极板关键材料和部件应用领域2质子交换膜燃料电池的类型及工作原理HOFCDMFCDEFCDFFC工作原理示意图各种质子交换膜燃料电池2质子交换膜燃料电池系统质子交换膜燃料电池系统构成及照片2电堆氢氧电化学反应发电膜电极端板双极板机械支撑，提供反应物质和冷却液的流道分离氧化剂和还原剂，管理产生的水和热特点：高导电性，小电阻率，高导热性，良好的化学稳定性和耐腐蚀性，高有效面积，良好的机械强度，低成本等质子交换膜催化剂气体扩散层电解质交换膜对质子导通，对电子隔离发生电化学反应的关键催化媒介物质气体扩散，电流的收集，对质子交换膜起到物理支撑的作用GDL2辅助系统阴极回路阳极回路冷却回路空气回路氢气回路空压机空滤器增湿器为燃料电池反应提供空气中的氧气为燃料电池反应提供氢气减压阀氢气循环泵使氢气循环利用冷却液（去离子水或乙二醇水溶液）循环流动，带走电堆产生热量水泵散热器储水箱控制系统集软件和硬件为一体，包括燃料电池控制器以及相应的控制软件2以常见氢氧燃料电池为例：阳极催化层中的氢气发生氧化反应解离电子氢离子阴极外电路质子交换膜氧气结合氢离子及电子发生还原反应生成水生成的水通过电极随反应尾气排出2电路催化剂质子交换膜排气口阳极反应：2H2→4Ｈ++4ｅ-阴极反应：O2+4H++4ｅ-→2H2O电池总反应：2H2+O2→2H2O反应式如下：27.4.2质子交换膜燃料电池的特点优点可常温甚至零下温度运行，启停迅速质量或体积比功率高固体电解质对其它部件无腐蚀可制成集发电与水电解一体的可逆再生式电池系统电池成本高对燃料净化程度要求高只能以热水方式回收余热质子交换膜性能受水含量和温度影响大，水热管理系统复杂缺点27.4.3质子交换膜燃料电池的发展现状20世纪60年代质子交换膜燃料电池应用于美国的双子星座航天飞行1989年巴拉德公司从美国国防部购买了燃料电池技术1994年以来，巴拉德公司与多家著名汽车公司合作，开发出多种质子交换膜燃料电池汽车1997年起巴拉德公司与奔驰、福特等公司共同投资建立了质子交换膜燃料电池发动机公司巴拉德公司建设了两个年产20万台质子交换膜燃料电池电动车的生产企业并于2003年推向市场巴拉德公司还与美国、法国的大型供电公司共同投资组建了合资企业，生产250kW级分散型质子交换膜燃料电池电站设备。1983年，加拿大国防部资助了巴拉德公司进行质子交换膜燃料电池研究2中科院大连化物所从1995年开始利用碱性燃料电池技术积累，全面开展了质子交换膜燃料电池的研究天津电源研究所在70年代曾研究过以聚苯乙烯磺酸膜为电解质的质子交换膜燃料电池中科院长春应化所在90年代初开始质子交换膜燃料电池的研究，在Pt/C催化剂制备、表征与解析方面进行了广泛研究清华大学、天津大学、北京理工大学、石油大学等均在进行质子交换膜燃料电池结构、催化剂与电极制备工艺研究。我国的质子交换膜燃料电池与发达国家几乎是站在同一起跑线上。2国内外开发的几种燃料电池汽车的主要性能指标质子交换膜燃料电池汽车型号电堆功率（kW）最大输出功率（kW）最高速度（km/h）加速时间（0-100km/h）里程（km）ChaoYue3506512219s230FokusFCV757012815s250Hydrogen3757014015s400Mirai901141759.6s502Nexo951241799.7s6002丰田FCVmirai于2014年12月15日在日本国内销售，其燃料电池功率为114kW，功率密度为3.1kW/L。2016年，上汽大通在北京车展首次推出了FCV80轻客车型，开启了国产质子交换膜燃料电池汽车的商业化运营，规模约100台。21.燃料电池中，为什么只有质子交换膜燃料电池最适合用来做汽车动力?2.除了质子交换膜燃料电池核心电堆外，燃料电池汽车还需要哪些重要部件？3.质子交换膜燃料电池将来会取代内燃机吗？思考题7.5熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）27.5.1熔融碳酸盐燃料电池结构及工作原理由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态的碳酸盐。2阴极反应：阳极反应：总反应：熔融碳酸盐燃料电池工作原理图CO2循环反应式如下：27.5.2熔融碳酸盐燃料电池的特点电池工作温度较高，反应速度加快采用非贵重金属作为催化剂及液体电解质燃料纯度要求相对较低用镍(Ni）或不锈钢作为电池的结构材料，材料容易获得并且价格便宜高温型燃料电池，余热温度高以Li2CO3及K2CO3混合物电解质，在高温下管理困难，腐蚀和渗漏现象严重CO2的循环系统增加了结构和控制的复杂性优点：缺点：7.5.3熔融碳酸盐燃料电池的发展现状2熔融碳酸盐燃料电池在建立高效、环境友好的50~10000kW的分散电站方面具有减少碳排放，燃料利用率高的优势。不同功率的MCFC应用50kW：地面通讯和气象台站200-500kW：水面舰船、机车、医院、海岛和边防的热电联供1000kW以上：与热机联合循环发电，作为区域性供电站，还可以与市电并网2国内外发展现状国外应用：美国：国际燃料电池公司、煤气技术研究所和能量研究公司，其中能量研究公司具备年产2MW～5MW公用管道型MCFC能力；日本：日立和石川岛播磨重工业，三菱电机与美国ERC，三洋公司；德国：MTU公司，280kW单组电池；荷兰：ENC，两个250kW外重整MCFC；意大利：Ansaldo公司与西班牙合作开发了100kWMCFC；韩国：59MW电站。国内应用：中科院大连化学物理研究所：1993年开始研究。组装了28cm2，110cm2单电池，燃料利用率为80%时，电池能量转化效率为61%；华能集团：2009年开始对MCFC研究，已掌握核心关键技术。发展出20kWMCFC系统，燃料利用率达到69%，发电效率达到51%。7.6固体氧化物燃料电池（MCFC）27.6.1固体氧化物燃料电池结构及工作原理固体氧化物燃料电池的结构示意图固体氧化物燃料电池发电系统构成及示意图应用场景：作为固定或移动电源，用于家庭、商业、交通运输和军事等不同领域；满足电网不能覆盖的偏远地区(如山区、草原、海岛、军事设施、航标等)的用电需要以及补充大都市的电力不足；为用户提供热水和取暖。2固体氧化物燃料电池工作原理固体氧化物作为电解质，在较高温度下具有传递O2-离子的能力，在电池中起传递O2-离子和分离空气、燃料的作用。

反应式如下：固体氧化物燃料电池工作原理示意图阴极：阳极：总反应：27.6.2固体氧化物燃料电池的特点不足：电池组装相对困难，其中由过高温度和陶瓷材料脆性引起的技术难题较多。01全固态电池结构，避免了使用液态电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题；02燃料适应性广，可以直接使用纯氢和天然气、城市煤气、生物质气、液化石油气、NH3、H2S等气体作为燃料，还可以用甲醇、乙醇，甚至汽油、柴油等高碳链液体作为燃料；03适用范围广，既可以用作固定电源，又可以用做小型移动电源，如汽车辅助电源，手提电脑电源，无线通讯手机电源等；04能量转换率高，直