燃料电池工作原理、分类及组成.pptx

二、二、质子交子交换膜燃料膜燃料电池池三、直接甲醇燃料三、直接甲醇燃料电池池四、碱性燃料四、碱性燃料电池池五、磷酸燃料五、磷酸燃料电池池燃料燃料电池工作原理、分池工作原理、分类及及组成成一、燃料一、燃料电池工作原理池工作原理1.各种燃料各种燃料电池工作原理池工作原理图2.3.PEMFC阳极阳极阴极阴极总反反应4.阳极阳极阴极阴极总反反应甲甲醇醇在在阳阳极极电化化学学氧氧化化过程程的的机机理理非非常常复复杂，在在完完成成6个个电子子转移移的的过程程中中，会会生生成成众众多多稳定定或或不不稳定定的的中中间物物，有有的的中中间物物会会成成为电催催化化剂的的毒毒物物，导致致催催化化剂中中毒毒，从而降低从而降低电催化催化剂的的电催化活性。催化活性。DMFC5.甲醇氧化的可能步骤6.因此，DMFC开发过程中，甲醇直接氧化电催化剂的研发、反应机理等一直是研究热点，也是DMFC发展的关键之一。根据甲醇与水在电池阳极的进料方式不同，可将DMFC分为两类：以气态甲醇和水蒸汽为燃料和以甲醇水溶液为燃料。7.1）以气）以气态甲醇和水蒸汽甲醇和水蒸汽为燃料燃料由由于于在在常常压下下水水的的饱和和温温度度为1000C，所所以以这种种DMFC工工作温度要高于作温度要高于1000C。目目前前交交换膜膜的的质子子传导性性都都与与液液态水水含含量量有有关关，因因此此，当当电池池工工作作温温度度超超过1000C时，反反应气气的的工工作作压力力要要高高于于大气大气压，这样电池系池系统就会就会变得很复得很复杂。至至今今尚尚没没有有开开发出出能能够在在150-2000C下下稳定定工工作作，且且不不需需液液态水存在的交水存在的交换膜。膜。因此，因此，这种种DMFC目前研究的很少。目前研究的很少。8.2 2）以甲醇水溶液）以甲醇水溶液为燃料燃料采采用用不不同同浓度度的的甲甲醇醇水水溶溶液液为燃燃料料的的液液体体DMFCDMFC，在在室室温温及及100 100 o oC C之之间可可以以在在常常压下下运运行行。当当电池池工工作作温温度度超超过100100 o oC C时，为防防止止水水汽汽化化而而导致致膜膜失失水水，也也要要对系系统加加压。以甲醇水溶液以甲醇水溶液为燃料的燃料的DMFCDMFC是目前研是目前研发的重点。的重点。9.DMFCDMFC单位位面面积的的输出出功功率率紧为PEMFCPEMFC的的1/10-l/51/10-l/5，其其原因主要有下述两个方面：原因主要有下述两个方面：1 1）甲甲醉醉阳阳极极电化化学学氧氧化化历程程中中生生成成类COCO的的中中间物物，导致致PtPt电催催化化剂中中毒毒，严重重降降低低了了甲甲醇醇的的电化化学学氧氧化化速速度度（比比氢气气氧氧化化的的速速度度要要低低得得多多），增增加加阳阳极极极化达百毫伏数量极化达百毫伏数量级。而而当当以以氢为燃燃料料时，当当电池池工工作作电流流密密度度达达1A/m1A/m2 2时阳极极化也阳极极化也仅几十毫伏；几十毫伏；10.11.2 2）燃燃料料甲甲醇醇通通过浓差差扩散散和和电迁迁移移由由膜膜的的阳阳极极侧迁迁移移至至阴阴极极侧(甲甲醇醇渗渗透透，Crossover)Crossover)，在在阴阴极极电位位与与Pt/CPt/C或或PtPt电催催化化剂作作用用下下发生生电化化学学氧氧化化，并并与与氧氧的的电化化学学还原原构构成成短短路路电池池，在在阴阴极极产生生混混合合电位。位。甲甲醇醇经膜膜的的这一一渗渗透透，不不但但导致致氧氧电极极产生生混混合合电位位，降降低低DMFCDMFC的的开开路路电压，而而且且增增加加氧氧阴阴极极极极化化和和降低降低电池的池的电流效率。流效率。12.不同浓度下和负荷条件下甲醇渗透的变化13.DMFCDMFC与与PEMFCPEMFC不同点不同点1）由由甲甲醇醇阳阳极极氧氧化化电化化学学方方程程可可知知，当当甲甲醇醇阳阳极极氧氧化化时，不不但但产生生H+与与电子子，而而且且还产生生气气体体CO2，因因此此尽尽管管反反应物物CH30H与与H20均均为液液体体，仍仍要要求求电极极具具有有憎憎水水孔孔。而而且且由由水水电解解工工业经验可可知知，对析析气气电极极，尤尤其其是是采采用用多多孔孔气气体体扩散散电极极这类立立体体电极极时，电极极构构成成材材料料(Pt/C电催催化化剂)极极易易在在析析出出的的反反应气气作作用用下下导致脱落、致脱落、损失，失，进而影响而影响电池寿命。池寿命。因因此此与与PEMFC相相比比，在在DMFC阳阳极极结构构与与制制备工工艺优化化时，必必须考考虑CO2析出析出这一特殊因素。一特殊因素。14.2）当当采采用用甲甲醇醇水水溶溶液液作作燃燃料料时，由由于于阳阳极极室室充充满了了液液态水水，DMFC质子子交交换膜膜阳阳极极侧会会始始终保保持持在在良良好好的的水水饱和状和状态下。下。15.但但与与PEMFC不不同同的的是是，当当DMFC工工作作时不不管管是是电迁迁移移还是是浓差差扩散散，水水均均是是由由阳阳极极侧迁迁移移至至阴阴极极侧，即即对以以甲甲醇醇水水溶溶液液为燃燃料料的的DMFC，阴阴极极需需排排出出远大于大于电化学反化学反应生成的水。生成的水。因因此此与与PEMFC相相比比，DMFC阴阴极极侧不不但但排排水水负荷荷增增大大，而而且且阴阴极极被被水水掩掩的的情情况况更更严重重，在在设计DMFC阴极阴极结构与构与选定制定制备工工艺时必必须考考虑这一因素。一因素。16.正正因因为如如此此，在在至至今今评价价DMFC时，阴阴极极氧氧化化剂(如如空空气气中中氧氧)的的利利用用率率均均很很低低，其其目目的的是是增增加加阴阴极极流流场内内氧氧化化剂的的流流动线速速度度，以以利利于于向向催催化化层的的传质和和水水的的排排出出，但但这势必必增增加加DMFC电池池系系统的的内内耗耗，这是是研研究究高高效效大大功功率率DMFC电池池系系统时必必须解解决决的的技技术问题。17.当当采采用用甲甲醇醇水水溶溶液液作作燃燃料料时，DMFCDMFC的的核核心心部部件件MEAMEA阳阳极极侧是是浸浸入入甲甲醇醇水水溶溶液液中中的的，加加之之在在DMFCDMFC工工作作时，又又有有C02C02的的析析出出；而而阴阴极极侧，排排水水量量也也远大大于于电化化学学反反应生生成成水水，不不管管是是气气化化蒸蒸发以以气气态排排出出，还是是靠靠毛毛细力力渗渗透透到到扩散散层外外部部被被气气体体吹吹扫以以液液态排排水水，均会均会对电极与膜之极与膜之间结合界面合界面产生一定分离作用力。生一定分离作用力。18.因因此此，在在制制备DMFCDMFC的的MEAMEA时，与与PEMPCPEMPC的的MEAMEA相相比比，要要改改进结构构与与工工艺，增增加加MEAMEA的的电极极与与膜膜之之间的的结合合力力，防防止止MEAMEA在在电池池长时间工工作作时膜膜与与电极极分分离离、增增加加欧欧姆姆极极化，大幅度降低化，大幅度降低电池性能，池性能，严重重时导致致电池失效。池失效。19.PAFC20.21.PAFC的工作原理22.PAFCPAFC是一种以是一种以磷酸磷酸为电解解质的燃料的燃料电池。池。PAFCPAFC采用重整采用重整天然气天然气作作燃料，空气做氧化燃料，空气做氧化剂，浸有，浸有浓磷酸的磷酸的SiCSiC微孔膜微孔膜作作电解解质，Pt/CPt/C作作催化催化剂，工作温度，工作温度200200。PAFCPAFC产生的直流生的直流电经过直交直交变换后以交后以交流流电的形式供的形式供给用用户。PAFCPAFC是是目前目前单机机发电量最大的一种燃料量最大的一种燃料电池池。50-200kW50-200kW功率的功率的PAFCPAFC可供可供现场应用，用，1000kW1000kW功率以上的功率以上的PAFCPAFC可可应用于区域性用于区域性电站。站。目前在美国、加拿大、欧洲和日本建立的大于目前在美国、加拿大、欧洲和日本建立的大于200kW200kW的的PAFCPAFC的的电站站已运行多年，已运行多年，4500kW4500kW和和11000kW11000kW的的电站也开始运行。站也开始运行。PAFCPAFC的主要技的主要技术突破是采用炭黑和石墨作突破是采用炭黑和石墨作电池的池的结构材料。至今构材料。至今还未未发现除炭材外的任何一种材料不但具有高的除炭材外的任何一种材料不但具有高的电导，而且在酸，而且在酸性条件下具有高的抗腐性条件下具有高的抗腐蚀能力和低能力和低费用。因此可以用。因此可以说，采用非炭，采用非炭材、制材、制备费用合理的酸性燃料用合理的酸性燃料电池是不可能的。池是不可能的。23.电解解质材料材料 PAFCPAFC的的电解解质是是浓磷酸溶液。磷酸在常温下磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在高温性小，在高温下具有良好的离子下具有良好的离子导电性，所以性，所以PAFCPAFC的工作温度在的工作温度在200200左右。左右。磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出导电的的氢离子。离子。浓磷酸（磷酸（质量分数量分数为100%100%）的凝固点是）的凝固点是4242，低于低于这个温度使用个温度使用时，PAFCPAFC的的电解解质将将发生固化。而生固化。而电解解质的的固化会固化会对电极极产生不可逆生不可逆转的的损伤，电池性能会下降。所以池性能会下降。所以PAFCPAFC电池一旦启池一旦启动，体系温度要始，体系温度要始终维持在持在4545以上。以上。24.隔膜隔膜材料材料 PAFCPAFC的的电解解质封装在封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜，构隔膜，它由它由SiCSiC和聚四氟乙和聚四氟乙烯组成，写作成，写作SiC-PTFESiC-PTFE。新型的。新型的SiC-PTFESiC-PTFE隔膜隔膜有直径极小的微孔，可兼有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和分离效果和电解解质传输。设计隔膜的孔径隔膜的孔径远小于小于PAFCPAFC采用的采用的氢电极和氧极和氧电极（采用多孔气体极（采用多孔气体扩散散电极）的孔径，极）的孔径，这样可以保可以保证浓磷酸容磷酸容纳在在电解解质隔膜内，起隔膜内，起到离子到离子导电和分隔和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与、氧气体的作用。隔膜与电极极紧贴组装后，当装后，当饱吸吸浓磷酸的隔膜与磷酸的隔膜与氢、氧、氧电极极组合成合成电池的池的时候，部分磷酸候，部分磷酸电解解液会在液会在电池阻力的作用下池阻力的作用下进入入氢、氧多孔气体、氧多孔气体扩散散电极的催化极的催化层，形成形成稳定的三相界面定的三相界面。25.PAFC结构26.PAFC系统27.AFC28.碱性碱性燃料燃料电池池碱性碱性燃料燃料电池的池的设计基本与基本与质子交子交换膜燃料膜燃料电池相似，但其使用的池相似，但其使用的电解解质为水溶液或水溶液或稳定的定的氢氧化氧化钾基基质。电化学反化学反应：阳极：阳极：阴极：阴极：碱性碱性燃料燃料电池的工作温度大池的工作温度大约8080。因此启。因此启动也很快，但其也很快，但其电力密度力密度却比却比质子交子交换膜燃料膜燃料电池的密度低十来倍，在汽池的密度低十来倍，在汽车中使用中使用显得笨拙。得笨拙。不不过，它，它们是燃料是燃料电池中池中生生产成本成本最低的，因此可用于小型的固定最低的，因此可用于小型的固定发电装置。装置。29.碱碱性性燃燃料料电池池(AFC)(AFC)是是燃燃料料电池池系系统中中最最早早开开发并并获得成功得成功应用的一种。用的一种。美美国国阿阿波波罗登登月月宇宇宙宙飞船船及及航航天天飞机机上上即即采采用用碱碱性燃料性燃料电池作池作为动力力电源。源。实际飞行行结果果表表明明，AFCAFC作作为宇宇宙宙探探测飞行行等等特特殊殊用途的用途的动力力电源已源已经达到了达到了实用化用化阶段。段。30.在在过去相当去相当长的一段的一段时期内，期内，AFCAFC系系统的研究范的研究范围涉及不同温度、燃料等各种情况下的涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池池结构、材构、材料与料与电性能等。性能等。根根据据电池池工工作作温温度度不不同同，AFCAFC系系统可可分分为中中温温型型与与低温型两种。低温型两种。前前者者以以培培根根中中温温燃燃料料电池池为代代表表，它它由由英英国国培培根根(F(FT TBacon)Bacon)研研制制，工工作作温温度度约为523K523K，阿阿波波罗登登月月飞船上使用的船上使用的AFCAFC系系统就属于就属于这一一类型。型。31.低低温温型型APCAPC系系统的的工工作作温温度度低低于于373K373K，是是现在在AFCAFC系系统研究与开研究与开发的重点。的重点。其其应用用目目标是是便便携携式式电源源及及交交通通工工具具用用动力力电源。源。32.在在燃燃料料电池池系系统中中采采用用液液体体燃燃料料是是吸吸引引各各种种商商业用用户的有效途径之一。的有效途径之一。因因为液液体体燃燃料料储运运方方便便，易易处置置。曾曾经考考虑用用作作AFCAFC系系统的的液液体体燃燃料料有有阱阱（N N2 2H H4 4）、液液氨氨、甲甲醇醇和和烃类。由由于于AFCAFC系系统通通常常以以KOHKOH溶溶液液作作为电解解质，KOHKOH与与某某些些燃燃料料可可能能产生生的的化化学学反反应使使得得AFCAFC几几乎乎不不能能使使用用液体燃料。液体燃料。33.液液体体燃燃料料在在进入入AFCAFC电池池堆堆之之前前必必须进行行预处理理。阱阱（N N2 2H H4 4）在在AFCAFC阳阳极极上上易易分分解解成成氢气气和和氯气气，其其电极极反反应可能是：可能是：实验结果果表表明明，以以阱阱为燃燃料料的的AFCAFC电性性能能与与氢氧氧AFCAFC电性能差不多相等。性能差不多相等。有有人人认为这两两种种燃燃料料的的电化化学学过程程实际上上是是相相同同的，阱的，阱仅仅起到起到氢气源的作用。气源的作用。34.阱阱在在AFCAFC阳阳极极表表面面分分解解的的同同时还可可能能产生生对电极极性性能能有害的有害的氨氨。在在阱阱电池池中中，电解解液液是是连续循循环的的，并并在在循循环过程程中中添添加加水水合合阱阱使使浓度度大大体体上上维持持恒恒定定，这种种循循环也也有助于除去有助于除去电池工作中池工作中产生的氮气。生的氮气。排排出出的的氮氮气气中中会会带一一些些阱阱蒸蒸汽汽，由由于于阱阱有有毒毒且且易易爆爆，故故须使使废气气通通过乙乙醛或或硫硫酸酸以以除除去去其其中中的的阱阱。电池池反反应产生的水也大部分随氮气一起排出。生的水也大部分随氮气一起排出。35.电池的氧化池的氧化剂曾采用曾采用纯氧、空气或氧、空气或H H2 2O O2 2等。等。若若以以空空气气代代替替纯氧氧，会会大大大大增增加加排排出出气气体体中中氮氮气的流量，使气的流量，使电池池输出功率出功率显著降低。著降低。36.在五六十年代，阱在五六十年代，阱-空气燃料空气燃料电池曾作池曾作为军用用电源大力开源大力开发。这种种电池池最最主主要要的的缺缺点点是是阱阱具具有有极极高高毒毒性性、价价格格昂昂贵。而而且且，这种种电池池系系统需需要要大大量量辅助助设备，这不不仅需需要要消消耗耗电池池所所产生生功功率率中中的的相相当当大大一一部部分分，而而且且在在电池池正正常常工工作作前前必必须启启动这些些辅助助设备。因因此此，尽尽管管在在理理论上上阱阱氧氧化化产生生的的能能量量比比大大多多数数其其他他燃燃料料要大得多，但阱要大得多，但阱电池在商池在商业上似乎不大可能上似乎不大可能有重要有重要用途。用途。37.到了到了7070年代，阱年代，阱-空气燃料空气燃料电池基本上停止了研究。池基本上停止了研究。除了阱除了阱-空气燃料空气燃料电池，曾研究池，曾研究过的的AFCAFC系系统还有氨有氨-空空气燃料气燃料电池。池。从从长远的眼光来看，阱、液氨作的眼光来看，阱、液氨作为AFCAFC的燃料是不可行的燃料是不可行的。目前，最具潜力的液体燃料是的。目前，最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。、甲醇等。38.AFCAFC的的优点是点是：（1 1）效率高，因）效率高，因为氧在碱性介氧在碱性介质中的中的还原原反反应比其他酸性介比其他酸性介质高；高；（2 2）因）因为是碱性介是碱性介质，可以用非，可以用非铂催化催化剂；（3 3）因工作温度低，碱性介）因工作温度低，碱性介质，所以可以，所以可以采用采用镍板做双极板。板做双极板。39.AFC缺点缺点是：是：（1）因）因为电解解质为碱性，易与碱性，易与CO2生成生成K2CO3、Na2CO3沉淀，沉淀，严重影响重影响电池性能，所以必池性能，所以必须除去除去CO2，这给其在常其在常规环境中境中应用用带来很大来很大的困的困难。（2）电池的水平衡池的水平衡问题很复很复杂，影响，影响电池的池的稳定性。定性。40.燃料電池的特性(一)电池种类碱 性(AFC)质子交换膜(PEFC)磷酸(PAFC)电解质KOH含氟质子交换膜H3PO4阳极Pt/CPt/CPt/C阴极C(含觸煤)Pt/CPt/C流动离子OH-H+H+操作温度室温100室温80180200可用燃料精炼氢气电解副产氢气天然气、甲醇汽油天然气、甲醇特 性1.需使用高纯度氢气做燃料2.低腐蚀性及低温 较易选择材料1.功率密度高，体积小，重量轻2.低腐蚀性及低溫 ，较易选择材料1.进气中CO会导致催化剂中毒2.废热可利用燃料電池的特性(二)电池种类碱性(AFC)质子交换膜(PEFC)磷 酸(PAFC)优点1.启动快2.室温常压下工作1.寿命长2.可用空气作氧化剂3.室温工作4.功率大5.启动迅速6.输出功率可隨意调整对CO2不敏感缺点1.需以纯氧作 氧化剂2.成本高1.对CO非常敏感2.反应物需要 加湿1.对CO敏感2.工作温度高3.成本高4.低于峰值功率 输出時性能 下降系统效率40%40%40%用 途太空船潜水艇小型发电机组分散型发电移动式电源运输工具电源汽电共生分散型发电移动式电源运输工具电源构成上述燃料构成上述燃料电池的池的关关键材料与材料与部件：部件：电极极(阴极与阳极阴极与阳极)电催化催化剂电解解质（质子子交交换膜）膜）双极板双极板43.电极极均均为气体气体扩散散电极极。它它至至少少有有两两层构构成成：起起支支撑撑作作用用的的扩散散层和和为电化化学反学反应进行的催化行的催化层。催化催化层扩散散层电极极结构示意构示意图电 极极44.19831983年年，加加拿拿大大国国防防部部资助助了了巴巴拉拉德德动力力公公司司进行行PEMFCPEMFC的的研研究究。在在加加拿拿大大、美美国国等等国国科科学学家家的的共共同同努努力力下下，FEMFCFEMFC取取得得了突破性了突破性进展。展。采采用用薄薄的的(50-150(50-150 m)m)高高电导率率的的NafionNafion和和DowDow全全氟氟磺磺酸酸膜膜，使使电池性能提高数倍。池性能提高数倍。接接着着又又采采用用铂炭炭催催化化剂代代替替纯铂黑黑，在在电极极催催化化层中中加加入入全全氟氟磺磺酸酸树脂脂，实现了了电极极的的立立体体化化并并将将阴阴极极、阳阳极极与与膜膜热压到到一一起起，组成成电极极-膜膜-电极极“三三合合一一”组件件(membrane-(membrane-electrode-assemblyelectrode-assembly，MEA)MEA)。45.这种种工工艺减减少少了了膜膜与与电池池的的接接触触电阻阻，并并在在电极极内内建建立立起起质子子通通道道，扩展展了了电极极反反应的的三三相相界界面面，增增加加了了铂的的利利用用率率。不不但但大大幅幅度度提提高高了了电池池性性能能，而而且且使使电极极的的铂担担量量降降至至低低于于0.5mg/cm0.5mg/cm2 2，电池池输出出功功率率密密度度高高达达0.5-2w/cm0.5-2w/cm2 2，电池池组的的质量量比比功功率率和和体体积比功率分比功率分别达到达到700w/kg700w/kg和和1000w/L1000w/L。46.47.（一）一）扩散散层功能：功能：1 1）起起支支撑撑作作用用，为此此要要求求扩散散层适适于于担担载催催化化层，扩散散层与与催催化化层的的接接触触电阻阻要要小小；催催化化层主主要要成成分分是是Pt/CPt/C电催催化化剂，故，故扩散散层一般一般选炭材制炭材制备；2 2）反反应气气需需经扩散散层才才能能到到达达催催化化层参参与与电化化学学反反应，因因此此扩散散层应具具备高孔隙率和适宜的孔分布，有利于高孔隙率和适宜的孔分布，有利于传质。48.（3 3）阳阳极极扩散散层收收集集燃燃料料的的电化化学学氧氧化化产生生的的电流流，阴阴极极扩散散层为氧氧的的电化化学学还原原反反应输送送电子子，即即扩散散层应是是电的良的良导体体。（4 4）PEMFCPEMFC效效率率一一般般在在5050左左右右，极极化化主主要要在在氧氧阴阴极极，因此因此扩散散层尤其是氧尤其是氧电极的极的扩散散层应是是热的良的良导体。体。（5 5）扩散散层材材料料与与结构构应能能在在燃燃料料电池池工工作作条条件件下下保保持良好的持良好的稳定性。定性。49.（二（二）离子交）离子交换膜膜最最关关键部部件件之之一一，直直接接影影响响电池池的的性性能能与与寿寿命命，应满足足的要求：的要求：（1 1）高）高的离子的离子传导能力；能力；（2 2）在）在FCFC运行条件下，膜运行条件下，膜结构与构与树脂脂组成保持不成保持不 变，即具有良好的化学和，即具有良好的化学和电化学化学稳定性；定性；（3 3）具有低的反）具有低的反应气体渗透性，保气体渗透性，保证FCFC具有高的法具有高的法 拉第效率；拉第效率；（4 4）具有一定的机械）具有一定的机械强度。度。50.目目前前使使用用的的主主要要是是Du Du PontPont杜杜邦邦公公司司的的全全氟氟磺磺酸酸型型质子子交交换膜，即膜，即NafionNafion膜，售价高达膜，售价高达$500800/m2$500800/m2。因此，开因此，开发性能性能优良的交良的交换膜是当前研究的膜是当前研究的热点之一。点之一。全全氟氟磺磺酸酸型型质子子交交换膜膜传导质子子必必须要要有有水水存存在在才才行行，其其传导率与膜的含水率呈率与膜的含水率呈线性关系。性关系。实验表表明明，当当相相对湿湿度度小小于于35%35%时，膜膜电导显著著下下降降，而而在在相相对湿度小于湿度小于15%15%时，NafionNafion膜几乎成膜几乎成为绝缘体。体。51.52.53.电催化与催化催化与催化剂电催催化化是是电极极与与电解解质界界面面上上的的电荷荷转移移得得以以加加速速的的一一种种催催化化作作用用。电催催化化的的反反应速速度度不不仅由由电催催化化剂的的活活性性决定，决定，还与双与双电层内内电场及及电解解质溶液的本性有关。溶液的本性有关。由由于于双双电层内内的的场强很很高高，对参参加加电化化学学反反应的的分分子子或或离离子子具具有有明明显的的活活化化作作用用，使使反反应所所需需的的活活化化能能大大幅幅度度降降低低，故故大大部部分分催催化化反反应可可在在远比比通通常常的的化化学学反反应低低得得多多的的温温度度下下进行行，如如在在铂黑黑电催催化化剂上上，丙丙烷可可在在1502001502000 0C C完全氧化完全氧化为COCO2 2和水。和水。54.由电极过程动力学方程：上述方程就是著名的上述方程就是著名的Butler-VolmerButler-Volmer方程方程提提高高催催化化剂的的活活性性，通通过增增加加i io o（即即提提高高i i）可可加加速速电化化学学反反应速速度度，也也可可用用改改变极极化化 的的方方法法来来改改变电化化学学过程程的的速速度度。因因为 是是在在指指数数项上上，通通常常改改变100mv100mv，i i 可可改改变几几个个数数量量级。而而这种种方方法法是是有有代代价价的的，对FCFC来来说，增增加加 意意味味着着降降低低FCFC能能量量转化化的的效效率率。在在实际中中，在在一一定定反反应速度下减少极化速度下减少极化，以提高以提高FCFC的能量的能量转化效率。化效率。55.对于于贵金金属属催催化化剂，铂或或铂合合金金等等以以颗粒粒状状形形式式沉沉积于碳于碳载体上或作体上或作为镍基金属基金属电极的一部分极的一部分。对于于非非贵金金属属催催化化剂，常常采采用用镍粉粉末末作作阳阳极极催催化化剂，而阴极催化而阴极催化剂为银基催化基催化剂粉末。粉末。56.应考考虑反反应物物在在催催化化剂上上形形成成的的吸吸附附键强度度应适适中中。吸吸附附键强度度太太弱弱，不不但但催催化化剂吸吸附附反反应物物太太少少，且且也也难以以活活化化反反应物物分分子子；反反之之，若若吸吸附附键强度度太太强，则其其转化化的的中中间物物或或产物物难以以脱脱附附，会会阻阻滞滞反反应的的进一一步步进行。行。57.电极结构与制备工艺1 1）电极极结构构第一第一层：疏水碳：疏水碳纸 ，通常，通常称支撑称支撑层 浸入浸入40%50%40%50%的聚四氟乙的聚四氟乙烯乳液后，乳液后，孔隙率降至孔隙率降至60%60%左右，平均孔径左右，平均孔径为12.512.5 m m。支撑。支撑层的厚度的厚度为0.20.4mm0.20.4mm，它的作用是支撑催化它的作用是支撑催化层，同，同时起收集和起收集和传导电流的作用。流的作用。第二第二层：整平：整平层（扩散散层 ），），为便于在支撑便于在支撑层上制上制备催化催化层，在炭，在炭纸表表面制面制备一一层由由X-72X-72型炭和型炭和50%50%聚四氟乙聚四氟乙烯乳液乳液组成的混合物，厚度成的混合物，厚度为1212 m m。第三第三层：催化：催化层，在，在扩散散层上覆盖由上覆盖由铂/炭炭电催化催化剂+聚四氟乙聚四氟乙烯乳液乳液（30%50%30%50%）的催化）的催化层，厚度，厚度约5050 m m。一般而言一般而言，电极制极制备好后好后须经过滚压处理，理，压实后在后在320320340340度度烧结，以，以增增强电极防水性。极防水性。2 2）制）制备工工艺 扩散散层：碳碳纸PTFEPTFE浸泡法浸泡法 整平整平层与催化与催化层：喷涂法或刮膜法（涂法或刮膜法（类似于似于锂离子离子电池极片拉池极片拉浆）58.双双极板极板双双极板必极板必须满足下述功能足下述功能要求：要求：实现单池之池之间的的电的的联结，因此，它必，因此，它必须由由导电良好的材料构成。良好的材料构成。将将燃燃料料(如如氢)和和氧氧化化剂(如如氧氧)通通过由由双双极极板板、密密封封件件等等构构成成的的共共用用孔孔道道，经各各个个单池池的的进气气管管导入入各各个个单池池，并并由由流流场均均匀匀分分配配到到电极各极各处。因因为双双极极板板两两侧的的流流场分分别是是氧氧化化剂与与燃燃料料通通道道，所所以以双双极极板板必必须是是无无孔孔的的；由由几几种种材材料料构构成成的的复复合合双双极极扳扳，至至少少其其中中之之一一是是无无孔孔的，的，实现氧化氧化剂与燃料的分隔。与燃料的分隔。59.构构成成双双极极板板的的材材料料必必须在在阳阳极极运运行行条条件件下下(一一定定的的电极极电位位、氧氧化化剂、还原原剂等等)抗抗腐腐蚀，以以达达到到电池池组的的寿寿命命要要求求，一一般般为几千小几千小时至几万小至几万小时。因因为PEMFCPEMFC电池池组效效率率一一般般在在5050左左右右，双双权板板材材料料必必须是是热的良的良导体，以利于体，以利于电池池组废热的排出。的排出。为降降低低电池池组的的成成本本，制制备双双极极板板的的材材料料必必须易易于于加加工工(如如加加工流工流场)，最，最优的材料是适于用批量生的材料是适于用批量生产工工艺加工的材料。加工的材料。至今，至今，制制备双双极板广泛采用的材料是石墨和金属板。极板广泛采用的材料是石墨和金属板。60.1.1.石墨双石墨双极板极板 厚度厚度为2-5mm2-5mm,机加工共机加工共用通道用通道,利用利用电脑刻刻绘机在其表面上加工流机在其表面上加工流场。这种工种工艺费时，价高，价高，不易批量生不易批量生产。采采用用蛇蛇形形流流场的的石墨双极板石墨双极板图61.2.2.模模铸双双极板极板为降降低低成成本本和和批批量量生生产，发展展了了采采用用模模铸法法制制备带流流场的的双双极极板板。方方法法是是将将石石墨墨粉粉和和热塑塑性性树脂脂均均匀匀混混合合，有有时需需加加入入催催化化剂等等，在在一一定定温温度度下下冲冲压成成型型，压力力高达几高达几MPaMPa或几十或几十MPaMPa。该技技术尚在尚在发展之中。展之中。采采用用这种种模模铸法法制制备双双极极板板，由由于于树脂脂未未实现石石墨墨化化，双双极极板板的的本本相相电阻阻要要高高于于石石墨墨双双极极板板，而而且且双双极极板板与与电极极扩散散层的的接接触触电阻阻也也比比纯石石墨墨大大。但但改改进联合合树脂脂材材料料、与与石石墨墨粉粉配配比比及及模模铸条条件件，可可以以减减小小模模铸板板的的这两种两种电阻。阻。62.3.3.金属双金属双极板极板用用薄薄金金属属板板制制备双双极极板板的的优点点是是可可批批量量生生产，如如采采用用冲冲压技技术制制备各种各种结构的双极板。构的双极板。这是目前世界各国研是目前世界各国研发的重点之一。的重点之一。其其难点点：在在PEMFCPEMFC工工作作条条件件下下的的抗抗腐腐蚀问题（氧氧化化，还原原，一一定定的的电位位和和弱弱酸酸性性电解解质下下的的稳定定性性）；与与扩散散层（碳（碳纸）的接触）的接触电阻大。阻大。抗腐抗腐蚀的方法之一是用改的方法之一是用改变合金合金组成与制成与制备工工艺的方法。的方法。63.4.4.复合双复合双极板极板采采用用廉廉价价的的多多孔孔石石墨墨板板制制备流流场。由由于于这层多多孔孔石石墨墨流流场板板在在电池池工工作作时充充满水水，既既有有利利于于膜膜的的保保湿湿，也也阻阻止止反反应气气与与作作为分分隔隔板板的的薄薄金金属属板板（0.1-0.2mm0.1-0.2mm)接接触，因而减触，因而减缓了它的腐了它的腐蚀。这种种复复合合双双极极板板技技术的的关关键是是尽尽量量减减少少多多孔孔石石墨墨流流场板与薄金属分隔板板与薄金属分隔板间的接触的接触电阻。阻。64.流流 场作作用用是是引引导反反应气气流流动方方向向，确确保保反反应气气均均匀匀分分配配到到电极各极各处，经扩散散层到达催化到达催化层参与参与电化学反化学反应。流流场主主要要有有：网网状状，多多孔孔，平平行行沟沟槽槽，蛇蛇形形和和交交指指状状等。等。流流场设计是是至至关关重重要要的的，而而且且很很多多是是高高度度保保密密的的专有有技技术。65.平行沟槽流场66.交指状流场67.多孔型流场68.网状流场69.单通道蛇形流场70.多通道蛇形流场71.单电池池它它是是构构成成电池池组的的基基本本单元元，电池池组的的设计要要以以单电池池的的实验数数据据为基基础。各各种种关关键材材料料的的性性能能与与寿寿命命最最终要要通通过单电池池实验的考核。的考核。1.1.膜膜电极极对于于PEMFC,PEMFC,由由于于膜膜为高高分分子子聚聚合合物物,仅靠靠电池池组的的组装装力力,不不但但电极极与与膜膜之之间的的接接触触不不好好,而而且且质子子导体体也也无无法法进入入多多孔孔气气体体电极极的的内内部部。为了了实现电极极的的立立体体化化，需需向向多多孔孔气气体体扩散散电极极内内部部加加入入质子子导体体（如如全全氟氟磺磺酸酸树脂脂），同同时为改改善善电极极与与膜膜的的接接触触，将将已已加加入入全全氟氟磺磺酸酸树脂脂的的阳阳极极，隔隔膜膜（全全氟氟磺磺酸酸膜膜）和和已已加加入入全全氟氟磺磺酸酸树脂脂的的阴阴极极压合在一起，形成了合在一起，形成了“三合一三合一”组件（件（MEAMEA）72.73.电池组电池组的主体为MEA，双极板及相应 可兼作电流导出板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加一定的组装力。若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等)制作，还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘板。74.电池组75.电池组76.电池组设计原则效率和比功率分别是电池组在标定功率下运行时的能量转化效率和在标定功率下运行时的质量比功率和体积比功率。1）对于民用发电（分散电源或家庭电源），能量转化效率更为重要，而对体积比功率与质量比功率的要求次之。故依据用户对电池组工作电压的要求确定串联的单电池数目时，一般选取单电池电压为0.700.75V。这样在不考虑燃料利用率时，电池组的效率可达56%60%。再依据单电池的实验V-A特性曲线，确定电池组工作电流密度，进而依据用户对电池组标定功率的要求确定电极的工作面积。在确定工作面积时，还应考虑电池系统的内耗。77.2）对于电动车发动机用的PEMFC和各种移动动力源，则对电池组的质量比功率和体积比功率的要求更高些。为提高电池组的质量比功率和体积比功率，在电池关键材料与单电池性能已定时，只有提高电池工作电流密度，此时一般选取单电池工作电压为0.60-0.65V，再依据用户对电池工作电压的要求确定单电池数目，进而依据V-A特性曲线确定电极的工作面积。78.流场对PEMFC电池组至关重要，而且与反应气纯度、电池系统的流程密切相关。因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，如反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有，回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。79.电池组密封要求是按照设计的密封结构，在电池组组装力的作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、氧化剂和冷却液不互窜。80.电池组的水管理由于膜的质子（离子）导电性与膜的润湿状态密切相关，因此保证膜的充分湿润性是电池正常运行的关键因素之一。PEMFC的工作温度低于100，电池内生成的水是以液态形式存在，一般是采用适宜的流场，确保反应气在流场内流动线速度达到一定值（如几米每秒以上），依靠反应气吹扫出电池反应生成的水。但大量液态水的存在会导致阴极扩散层内氧传质速度的降低。因此，如何保证适宜的操作条件，使生成水的90%以上以气态水形式排出。这样不但能增加氧阴极气体扩散层内氧的传质速度，而且还会减少电池组废热排出的热负荷。81.82.质子交换膜内的水传递过程有三种传递方式：1）电迁移：水分子与H+一起，由膜的阳极侧向阴极侧迁移。电迁移的水量与电池工作电流密度和质子的水合数有关。2）浓差反扩散：因为PEMFC为酸性燃料电池，水在阴极生成，因此，膜阴极侧水浓度高于阳极侧，在水浓差的作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧反扩散。反扩散迁移的水量与水的浓度梯度和水在质子交换膜内的扩散系数成正比。83.3）压力迁移：在PEMFC的运行过程中，一般使氧化剂压力高于还原剂的压力，在反应气压力梯度作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧传递，即压力迁移。压力迁移的水量与压力梯度和水在膜中的渗透系数成正比，而与水在膜中的粘度成反比。84.电池的排水 对于燃料电池，常用排水方法有动态排水与静态排水两种。(1)动态排水：动态排水法又称氢循环排水法。其原理是用泵循环氢气，将水蒸气带出电池，然后在冷凝器中将水蒸气冷疑，回收氢气。由于水蒸气的气相扩散和蒸发与冷凝速度均较快，因此，排水速度由氢循环量、电堆工作温度和冷凝器工作温度确定。(2)静态排水：原理是在氢气腔背面加一块饱吸KOH的排水膜(该膜内吸饱的KOH电解液浓度比电解质隔膜内的要浓一些膜的另一侧是水腔)，在多孔阳极内部电化学反应生成的水汽化，靠浓差迁移至排水膜燃料腔一侧并冷凝，然后靠浓差迁移通过排水膜，85.在排水膜水腔侧减压蒸发，借压差进入冷凝器冷凝、回收。与动态排水一样，因水的蒸发、冷凝与气相扩散速度均较快，所以整个排水速度由水在排水膜内迁移速度决定。静态排水控制条件比动态排水少，而且不受气流分布影响，没有运动部件，但是，它要在电池堆内增加一个水腔与一块排水膜，不仅制作工艺复杂，而且必然增加电堆重量。因此，要根据具体应用条件来选取排水方法。对于航天用的AFC系统，因有宇宙这一巨大真空源，采用静态排水法可能比较有利。86.