《储能材料与器件智能制造技术》课件-3.1.4 燃料电池

《储能材料与器件智能制造技术》燃料电池在全球积极推进“双碳”目标，努力摆脱对化石能源依赖的当下，寻找清洁、高效的能源解决方案成为时代课题。当电动汽车已逐渐普及，氢能公交车开始穿梭于城市道路，分布式发电站为社区稳定供电，这些场景背后都离不开一项关键技术——燃料电池。它打破了传统电池“存储能量”的局限，以“即时发电”的独特方式，将化学能直接转化为电能，具有高效、零排放、低噪音等优势，被视为未来能源领域的“变革者”。从航天领域的尖端应用到日常生活的能源供给，燃料电池正以蓬勃发展之势，为人类能源转型带来新的曙光。燃料电池（FuelCell，简称FC）是一种能有效控制燃料（比如氢气、甲烷、甲醇等）和氧化剂（空气或纯氧）的化学反应并将其中的化学能直接转化为电能的电化学装置。燃料电池种类较多，其基本结构与一般的电池相似，包括阳极、电解质和阴极三个最基本的组成部分。但与电极活性物质储存于电池内部的一般电池不同，燃料电池正负极本身不包含活性物质，电极只是电化学反应的催化转换元件，其活性物质是由外部供给的。因此燃料电池还必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。只要外部燃料和氧化剂不断供给，反应产物不断排出，燃料电池就能源源不断地向外供电。因此燃料电池本质上更像是发电机。燃料电池结构示意图如图所示。燃料电池的电极一般做成多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，故将电极做成多孔结构的形式，增加参与反应的电极表面积，降低极化作用，提高燃料电池的实际工作电流密度。以碱性氢氧燃料电池为例，燃料电池在工作时正极发生氧化反应负极发生还原反应总电池反应为燃料电池发电不受卡诺循环的限制。理论上其发电效率可达到85%～90%，但由于工作时各种极化的限制，目前燃料电池的能量转化效率约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时，二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上。通常根据电解质的不同将燃料电池划分为五种类型：碱性燃料电池（Alkalinefuelcell，AFC）磷酸燃料电池（Phosphoricacidfuelcell，PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（Moltencarbonatefuelcell，MCFC）质子交换膜燃料电池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）固体氧化物燃料电池（Solidoxidefuelcell，SOFC）碱性燃料电池（AFC），电解质通常采用6~8mol/L的KOH溶液，工作温度约80℃，阴阳极反应交换电流密度高，电池效率较高，可以采用廉价的镍作为电极。AFC电解质成本低，电池整体成本较低。燃料及氧化剂中的CO2与电解液中氢氧根反应会生成碳酸根离子，降低电解质中的氢氧根浓度。由于电池对广泛存在的CO2敏感，限制了碱性燃料电池的发展前景。磷酸燃料电池（PAFC）采用磷酸作为电解质，工作温度（180~210℃）适中，对杂质耐受能力较强，除氢外，PAFC还可能直接利用甲醇、天然气等廉价燃料，稳定性较好；热电联供时，效率较高（~85%），适应各种工作环境。磷酸燃料电池需采用贵金属作为催化剂，成本较高。因磷酸在40℃以下是固态，因而PAFC不适宜在低温环境下工作。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）采用碱金属(Li、Na、K)的碳酸盐作为电解质，工作中电解质呈熔融状态（600～700℃），导电离子为碳酸根离子(CO32-)。由于导电离子为碳酸根离子，为了及时补充电解质中的碳酸根损耗，阴极必须同时提供CO2，整个过程CO2没有净损耗，在阴极参与反应消耗，又在阳极生成，循环使用。MCFC工作温度高，耐杂质性强，可以使用H2、CO和各种碳氢化合物等化石燃料。高温燃料活性高，不需要昂贵的铂系催化剂。废热温度较高，可进一步利用。高温下熔融碳酸盐电解质具有一定腐蚀性，会影响电池的使用寿命。由于电池温度高，对密封材料和隔膜材料的要求也更加苛刻。固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质为氧化钇稳定氧化锆（YSZ）和CeO₂基材料等固体氧化物，不存在由于流动液体带来的泄漏和腐蚀问题，工作温度较高（650~1000℃），可以用氢气、甲烷、天然气等碳氢化合物作为燃料，不需要专门的贵重金属催化剂，一些特殊的过渡金属氧化物即可起到催化作用。SOFC的主要问题是其高温带来的密封难题。质子交换膜燃料电池（PEMFC）电解质为全氟磺酸（PFSA）膜，这层膜具有选择透过性，仅能让质子通过，称为质子交换膜。PEMFC工作温度一般在60~80℃，温度较低。PEMFC采用固态聚合物电解质，电池整体机械性能较好，甚至可做成柔性电池，因而应用广泛，可作为汽车动力电源及小规模分布式电站和小型便携电源。PEMFC的核心部件是膜集合体，又称为膜电极组件（MembraneElectrodeAssembly，MEA），是由阳极、质子交换膜与阴极三者相结合的三明治结构。其结构如图3-8所示。双极板一侧与前一个燃料电池的阳极侧接触，另一侧与后一个燃料电池的阴极侧接触。双极板的作用是分隔氧化剂与还原剂，为厚度较小的膜组件提供结构支撑，通过特殊结构的流场（反应气流的通道）向电极提供反应气，排出废气，密封作用，防止液、气外漏，集流、导电、导热，并协调水热管理。质子交换膜被挤压在两个多孔电极之间，电极通常由碳纤维布或碳纤维纸制作而成。微观上，电极通常包含很多功能层，靠近膜的一侧由较细颗粒组成，并担载金属催化剂（如Pt），为催化层；远离膜的区域由较大颗粒构成，为扩散层。PEMFC的主要关键材料有质子交换膜、阴阳极催化剂、双极板等。质子交换膜（PEM）是PEMFC中最为核心关键的材料，目前最常用的PEMFC电解质是Nafion膜。PEMFC的阳极和阴极催化剂仍然以Pt或Pt合金为主。Pt或其合金需以纳米颗粒形式担载到高分散度的碳载体上，形成Pt/C复合催化剂。双极板材质有石墨、铝、镍、铜、钛及不锈钢等，为了减缓金属双极板的腐蚀，通常需要将金属板进行表面防腐蚀处理。从实验室里的创新构想，到逐步走向市场的成熟技术，燃料电池承载着人类对绿色能源的美好愿景。它不仅是解决能源危机与环境污染的关