第3章电池 Batteries.doc

第三章 电池 Batteries
3.1 化学电源基本概念
Q1基本术语
化学电源：电池 Batteries ，将氧化还原反应的化学能直接转变为电能的装置。
放电 discharge：化学电源对外电路供给能量的过程
充电 charge ：放电的反过程。
化学电源按其工作性质和储存方式可分四类：
一次电池或原电池（primary battery ）：不能重复使用
二次电池：可充电电池、蓄电池（secondary battery or rechargeable battery ）
储备电池 storage battery ：
燃料电池：fuel cell ：连续电池：是一种以电化学方法将燃料的化学能直接转化成电能的高效率，无污染的装置。按电解液的状态分：

湿电池wet cell ：有过剩的电解液，液体处于流动状态
干电池 dry cell ：向电解液中添加明胶或淀粉等物质将其糊状化。

Q2 化学电源的历史与发展
a 1800年意大利科学家伏打教授发明伏打电源。
b 1859年法国科学家普朗特研制成功铅酸蓄电池、化学电源的发展开始进入萌芽时期。
c 1868年法国勒克朗谢发明了以 为电解液的原电池。
d 1899年，瑞典人杨格纳发明了蓄电池。
进入20世纪以后，人们除不断对以上电池进行改进外，同时又研制成功了许多新型化学电源。
尤其是50年代以后
科学技术水平的进步 对化学电源的性能指出了越来越多和越来越高的要求，
人们生活水平的提高 促使化学电源不断向小型化，高能量、长寿命，
能源危机 无污染方向发展。
环境保护认识
如：e 60年代美国的航天技术崛起，其中成功使用的氢氧燃料电池激起了科学家的兴趣
70年代全球出现的能源危机又进一步推动了该类电池的发展。
f 80年代末，由储氢合金取代蓄电池的的镉负板而诞生的电池以及高能量、无污染、无记忆效应等优势引起关注，至今仍风靡全球。
g 90年代的日本索尼公司率先推出商品化锂离子电池，该技术又开始在世界范围内以惊人的速度向规模化和产业化的方向，甚至在某些应用领域已大有取代电池的趋势。
Q3 化学电源的主要性能指标
1. 电动势和开路电压
a 电动势（electromotive force E）：理论电压 指没有电流流过外电路时电池正负两极之间的电极电势差，其值由 由于Gibbs 化学能的减小等于化学反应的最大有用功，故电池的电动势就是放电的极限电压。
b 开路电压：（open circuit Voltage ,OCV） 无负荷情况下的电池电压
只有可逆电池的开路电压才等于电池电动势，一般电池的开路电压总小于电池电压，只有可逆电池的电压才等于电池电动势。
二． 工作电压和电池的内阻
1. 工作电压：有电流流过时的端电压，
工作电压低于开路电势（同有电流流过电池时，会产生电化学极化，浓差极化和欧姆极化）
电池放电时电压术语：
额定电压：指电池工作时的标准电压，如碱性锌锰为1.50V
中点电压：电池放电期间的平均电压
截止电压：电池放电结束时的电压值
2. 电池的内阻：

E：电动势，V：工作电压，I：工作电流。
化学电源的内阻由欧姆内阻和极化内阻组成。
极化内阻 是指电池工作时由于电化学极化和浓差极化引起。
3．电流和反应速率
4．电池的容量及影响因素
电池容量（ capacity , C）：一定放电条件下，电池放电电压时反放出的电量，单位为库仑（C）或安时（A.h）
理论容量：假定电池的活性物质全部参加成流反应。
电池容量 实际容量：指电池在某实际条件下所放出的容量。
额定容量：电池在指定的放电条件下所应保证放出的最低容量。
理论 n：活性物质的摩尔数
Z：摩尔反应电子得失数
F：法拉第常数 h/moL
实际
活性物质本身的性能
电扳的制造工艺 电活性物质利用率＜100％
电池的装配工艺

放电技术：低温：电流放电容量较少
放电电流，放电深度，放电形式
放电深度（depth of discharge、DOD）：指电池放电量占其额定容量的数。
放电形式：连续放电，间隙放电
放电曲线：放电时工作电压——放电时的关系曲线。
5．比能量和比功率：为便于比较不同类型，不同大小的电池
电池的能量：一定放电条件下，电池所能做出的电工等于放电容量和电池平均工作电压的乘积，W.h
比能量（能量密度）：单位质量或单位体积的电池所输出的能量 ，
电池的功率（power ）：在一定放电条件下，电池在单位时间内所输出的能量，W
比功率（功率密度）：单位质量或单位体积的电池所输出的功率 ，，
电池的比能量和比功率是评价电池性能的主要指标。
6．电池的寿命（life ）
使用寿命：在一定条件下，电池工作到不能使用的工作时间
循环寿命：在二次电池报废之前，在一定充放电条件下，电池经历充放电循环的次数，对一次电池，燃料电池不存在，循环寿命。
贮存寿命：指电池性能或电池容量降低到额定指标以下时的贮存时间。
7．自放电（self —discharge）
指电池一些自发过程的进行而引起电池容量的损失。电池在贮存期使用时都会发生自放电现象。随着自放电
电池有一个贮存期，电池应放在阴净干燥处。
8．过充电：（over —charge ）
对二次电池，有时难以保证电池刚好完成充电过程。如充电时间过长，电池可能会被过充电，此时必然引起新的电极反应，从而影响电池寿命。
一般，只要不经常过充电，对电池性能影响不会太大。
Q4化学电源的选择和应用
理想的电化学电池显然应是一种廉价、大容量、输出功率范围广、工作温度和环境条件限制小、贮存寿命长、十分安全和用户满意的电池。事实上，这种在各种工作条件下提供最佳性能的理想电池是不存在的。但是，不同的用途需要使用不同型号的电池和结构，而每种型号的电池和结构都是在指定的工作条件才具有优良的性能。为了在应用时使不同型号的电池和结构发挥最佳性能，针对每一个具体的应用场合，选择最有效的电池并合理使用该电池是至关重要的。
为了某种特殊用途选择最有效的电池时，有许多因素必须加以考虑。但特别要注意衡量每一种可能选用的电池的有关特性是否符合指定设备的要求，从而选择出最能满足该种设备要求的某种电池。
选择电池时还应考虑影响电池性能的因素，考虑设备能否确保电池维持最佳性能的必要条件。选择电池和设备研究应同时进行，这样可以最有效地综合权衡电池性能和设备要求。
选择电池时须考虑的重要事项如下：
(1)电池类型：一次电池、二次电池、贮备电池或燃料电池。
(2)电化学体系：锌锰、镉镍、锌银、铅酸、锂离子或其他（视其电池性能与设备主要要求而异）。
(3)电压：额定电压或工作电压、最高电压和最低电压范围、放电曲线形状等是否影响设备的要求。
(4)负载和放电形式：恒电流、恒电阻或恒功率放电；单值或可变负载，脉冲负载。
(5)放电制度：连续放电或间歇放电。
(6)温度：要求电池的工作温度范围。
(7)使用时间：需要的工作时间长短。
(8)物理性能：尺寸、形状、质量等。
(9)贮存性能：贮存时间，充电态或放电态、温度、湿度和其他条件。
(10）充放电循环（如是二次电池）：浮充或循环使用，循环寿命和湿搁置寿命要求，充电设备的特性，充电频率。
(11)环境条件：振动、冲击、离心等；气候条件（温度，气压等）。
(12）安全性和可靠性：失效率；不能漏气或漏液；三废及其排放等。
(13)苛刻的工作条件：极长期或极高温贮存、备用或使用；特殊用途的高可靠性；贮备电池的快速激活；电池特殊包装（压力容器等）；高冲击、高离心和无磁性。
(14）维护和补充：电池易得，能就近供应，更换方便；充电设备可靠；要求特殊运输、回收或处理。
(15)成本：一次性购置费；一次性使用或循环寿命成本。
此外，应注意的是，即使对某种相同规格的电池或电池组，不同电池制造厂生产的电池性能也可能存在一定的差别。在产品批量生产过程中，批与批之间性能也有的不一致，这是在任何生产过程中实际存在的问题。不一致性的程度取决于生产过程的质量控制，以及电池的应用和使用。使用条件越苛刻，产品性能的不一致性越大。要获得具体的工作特性，应查阅制造厂提供的有关数据。
化学电源是十分重要的电源。与其他电源相比，它具有能量变换效率高、使用方便、安全可靠、少维护和易满足用户要求等特点。因此，它在世界各国的工业、军事及其他部门有极其广泛的用途。
一次电池，常用于低功率到中功率放电。它们使用方便，相对价廉：外形多以圆柱形、扣式和扁形形式存在。常以单体电池或电池组的形式用于各种便携式电气和电子设备。圆柱形电池广泛用于照明、信号、报警、半导体收音机、收录机、计算机、玩具以及剃须刀、吸尘器等家庭和生活用品上。扣式电池广泛用于手表等场合，薄形电池用于CMOs电路记忆贮存电源。同时，一次电池还广泛应用于军事便携通讯、雷达、夜间监视、气象仪器和导航仪器等。
二次电池及共电池组，常用于较大功率的放电，如用作汽车启动、照明和点火等的电源。二次电池的另一主要用途是辅助和（备用）应急电源，以及（浮充状态下）负荷平衡供电。它作为卓有成效的电化学贮能装置，在人造卫星、宇宙飞船和空间站方面，在潜艇和水下推进方面，在电动车辆方面，越来越显示出新的生命力。
贮备电池，常在特殊的环境下使用，如：贮备热电池的贮备锌电银电池经多年长期贮存之后能在短时间内高倍率放电，用作导弹电源。在微安级低倍率放电条件下工作的固体电解质电池，贮存寿命或工作寿命特别长，可用作心脏起搏器和计算机贮存电源等可靠性要求特别高和寿命特别长的场合。在贮存期内电活性物质和电解质不接触,或电解质处于固态,能贮存几年或十几年,使用时借助动力源或水作用于电解质使电池激活。
燃料电池，用作长时间连续工作的场合，已成功地应用于“阿波罗”飞船等的登月飞行和载人航天器中。同时，正在进一步研制的各种类型的燃料电池有望作为电动车辆和电站等的电源。
3.2一次电池 primary cell
Q1 一次电池的通性及应用
优点：方便、简单、容易使用、维修工作量少、贮存寿命长、适当的双能量和双功率，可靠、成本低。
现在世界一次电池市场消费每年高达约40亿美元，并以每年超过10％的增长率增长。一般是圆柱或扁形扣式电池，容量都低于20A.h
Q2 例：碱性锌锰电池（Alkaline Battery ）
The most common primary (nonchargable) battery is the alkaline battery more thanalkaline batteries are produced annually.
在电解液中加淀粉，使湿电池变成干电池，正极活性物质用二氧化锰和石墨的混合物
负极活性物质：锌粉与胶化剂的混合物。
见图3.1
原电池表达式为：
负极反应：

正极反应：

电池反应：
电池特征：采用高度的二氧化锰阴极，大面积锌阳极以及高导电性能的电解液。

锰干电池
碱性电池
一次电池 氧化电池
空气电池
锂电池：按是否可以充电分为一次电池和二次电池。

图3.1圆柱形锰干电池的结构[1]

Q3 碱性锰干电池
在碱性锰干电池（alkltine-manganese dry cell）中，用饱和了氧化锌的30％~40％氢氧化钾水溶液做电解液，正极活性物质和负极活性物质均和锰干电池相同，电池电压也是1.5V左右。和锰干电池较大的不同点是，作为负极活性物质的锌粉与胶化剂混合后置于中心部位，在隔离层的外侧放置正极活性物质（内外反置结构）如图3.2所示。负极的集电体是插在中间的铜棒。正极的集电体是镀镍的钢罐。放电反应如反应式（1）所示，生成的
Zn（OH）2 缓慢地溶解，变成锌酸根离子。因此在放电进程中电阻增加较大。
2MnO2+Zn+2H2O 2MnOOH+Zn（OH）2 （1）
这种电池负极活性物质的表面积大，与电解液活性面积接触的面积增加，自身放电增大。为了防止自身放电，曾经使用过汞做负极，目前已经被氢过电压较高的添加铟或镓的锌合金取代。同氯化锌型锰干电池比，这种电池有2倍的放电容量，高效放电特性也优异，通常被用做要求高输出功率的电器的电源。
Homework P85.4

图3.2碱性锰干电池的结构
3.3二次电池 secondary cell
battery accumulator
二次电池重要特点是放电时化学能转变为电能，充电时电能转变为化学能并贮存于电池中。
铅酸蓄电池
二次电池 碱性电池
氢镍电池
锂电池和锂离子电池
Q1 铅蓄电池（lead acid battery ）

A battery is a self-contained source of electrochemical energy made from one or more voltaic cells. Ordinary flashlight batteries consist of a single voltaic cell, while car batteries are six identical voltaic cells connected in series. It is worth noting that electrochemistry is one of only a very few commercially viable methods of generating electricity.
Your car battery is a lead-acid battery. The half-reactions are:
Cathode:

Anode:

The overall reaction,

produces about 2 volts. Solid PbO2 packed on a metal grid serves as the cathode. It and the lead anode are immersed in a solution of sulfuric acid (battery acid). Because the reactants are both solids, they can occupy the same solution and do not need to be in separate compartments.
As the overall reaction progresses, lead and lead oxide are consumed. Because solids do not appear in the reaction quotient, this does not affect the voltage. (There is some variation in potential due to the falling concentration of sulfuric acid.)
Lead-acid batteries are rechargeable. As reactants are converted to products, electrons flow from the lead electrode to the lead oxide electrode. The products of the overall reaction can be converted back into reactants by making electrons flow in the opposite direction. This recharging would not be possible if not for the fact that the lead sulfate (a product of both half-reactions) adheres to the electrode, remaining in electrical contact with it.

Nickel-cadmium or nicad batteries are based on the oxidation of cadmium metal by a nickel compound. The half-reactions involved are:
Cathode:

Anode:

The solid products adhere to the electrodes, allowing the battery to be recharged. The cell produces 1.30 volts.
Drawbacks to nicad batteries include their heavy weight (especially compared to the newer lithium-ion batteries) and the fact that disposal is a problem. Cadmium is a toxic heavy metal and a potential environmental hazard.
Strictly speaking, a fuel cell is not a battery because it is not self-contained. However, fuel cells do provide electrochemical energy via the oxidation-reduction reaction between oxygen and hydrogen gases. In the overall reaction, water (along with 1.23 V) is the only product.

 3.4 处于研究、开发中的锌二次电池
锌做化学电源的负极，已被广泛应用于一次电池和二次电池中，一次电池有锌锰电池、锌汞电池、锌-空气电池等，二次电池有锌银电池、锌镍电池等。
碱性Zn-MnO2电池是目前最广泛使用的一次电池，为了延缓资源消耗和减轻环境污染，长期以来各国电化学工作者做了大量研究工作，以期望这种性能优良的电池品种可以多次使用。早在20世纪70年代，国外曾出现过准商品化的可充电式碱性Zn-MnO2电池，但当时由于电池容量低，循环性能较差，使用时需用户控制放电深度等缺点，很快就退出了市场。影响可充电式碱性Zn-MnO2电池性能的因素很多，各国研究者为了实现该电池的商品化进行了大量研究，研究内容主要集中于：(1)从MnO2的电化学还原机理入手，研究化学的或电化学改性的MnO2对电池循环寿命的影响；(2)采用锌负极限容技术，从而限制MnO2的放电深度，并选择适当配方，以改善电池的循环性能；(3)从改善电池结构和电池制备工艺入手，全面提高电池的性能。目前国内外均有该种电池商品化的报道，而且已逐步被市场所认识，但要达到大规模的使用还需要一段时间。
锌离子的半径较锂离子稍大，但它的外层3d电子有较大的变形性，受锂二次电池启发，人们设想如果能研制出新型锌二次电池，则意义十分重大。研究和开发中的锌二次电池以锌作为负极，嵌入式过渡金属化合物等作为正极活性物质，以有机电解液（也有用水溶液电解质）作电解液。已见报道的锌二次电池有：电池、
Zn /V6 O13电池和Zn/PAni电池等。
Zn /V6 O13二次电池表达式为：

电池充放电反应为：

二次电池表达式为：

电池充放电反应为：

Zn/PAni 二次电池表达式为：

电池充放电反应为：

 综上所述，电化学的一个重要任务是研究和开发具有高比能量和高性能的新型化学电源，尤其是二次电池。研究二次电池的一般方法有：不同充放电电流下电池容量的测定；循环伏安法测定活性物质反应的可逆性和循环充放电测试电池反应可逆性；电池内阻和自放电速率的测定；表面和结构分析测不同充放电深度下活性物质可能的结构的变化，辅以电化学测试进一步研究反应可逆性；库仑效率、循环效率、能量密度等的测量；电池结构和电池制备工艺的研究等。

3.5 燃料电池
Q1 燃料电池的历史和发展
燃料电池（fuel cell）发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。自1839年G. R. Grove建造世界上第一个燃料电池以来，燃料电池已经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴趣的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。燃料电池的首次实际应用是在1960年作为宇宙飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展，60-70年代集中研究航空、航天方面用的燃料电池，80年代后期重点研究地面用的燃料电池。世界上美国、苏联、加拿大、日本等国家从那时起都投入了很大力量进行研究和开发。至今，已研制成了从几瓦的小功率燃料电池到兆瓦级的发电站的燃料电池样机。表3-1．概括了不同历史时期燃料电池发展的里程碑。

表3.1 燃料电池发展史上的里程碑

尽管燃料电池研究及技术获得了很大发展，世界各国也投入了大量人力、物力进行了广泛的研究，但要达到大规模应用程度，还要在降低成本、提高性能上下工夫。同时，作为电动车等的移动电源，最好在低温下（< 1000C）进行工作，目前只有氢-氧燃料电池能有效地工作，但要实际运用，还存在许多问题，例如氢气储存与运输的安全，以至于氢-氧燃料电池不适于用作电动车的动力电源。而有机小分子燃料电池，尢其是直接甲醇燃料电池就可避免这一缺点，是一种理想的动力电源。
Q2 燃料电池的特点和分类
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转变成电能的连续发电装置。燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供给的连续性，燃料和氧化剂是从外部不断供给的。对于燃料电池而言，从理论上讲，一方面，电池的电极在工作时并不消耗，只要连续地供给燃料和氧化剂，电池就可以连续对外发电，另一方面，燃料电池是高效的、低或零污染排放、安全且操作方便的发电装置。
燃料电池的第一个显著特点是不受卡诺循环的限制，能量转换效率燃料电池直接将化学能转变为电能，中间未经燃烧过程（亦即燃料电池不是一种热机），因此，不受卡诺循环的限制，可以获得更高的转化效率。燃料电池的理论效率为：

燃料电池的理论能量转换效率可达80％一100％，由于可能从环境吸收热量，效率甚至可能大于100％ ；实际应用中，由于阴、阳极极化和浓差极化的存在和电解质的欧姆降以及热损失等，燃料电池的能量转换效率为：

下降为40%-60%，但仍较内燃机的能量转换效率高约10% -20%。
燃料电池的其他优点是：低的环境污染和噪音污染，安全可靠性高；操作简单，灵活性大，建设周期短等。由于燃料电池具有上述的优点，国际上对燃料电池的开发和研制给予了高度的重视。1997年底，美国总统科技顾问委员会提交的“迎接21世纪挑战的能源与开发”报告中，认为燃料电池技术在美国属于能源领域国家关键技术之一。美刊《未来学家》在“2001年到2030年间将出现哪些新兴技术”一文中预测：到2017年把燃料转化为电能的燃料电池将得到广泛的使用，约占电能的30%
燃料电池的基本组成为电极、电解质（可以是固体的，也可以是水溶液或熔融盐）、燃料和氧化剂。燃料电池的电极多采用多孔电极技术，电极可以由具有电催化活性的材料制成，也可以只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体。燃料可以是气体（如H2，CO和碳氢化合物）或液体（CH3OH, N2H4，高阶碳氢化合物），也可以是固体（金属氢化物）。相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧气、空气或卤素都可以胜任，而空气是最便宜的氧化剂。
燃料电池可依据其工作温度、所用燃料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温度，燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料来源，燃料电池可分为直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池），间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池的燃料）和再生类型进行分类。现在一般都依据电解质类型来分类，可以分为五大类燃料电池，即，磷酸型燃料电池（phosphoric acid fuel cell, PAFC）、质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEM-FC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell, MCFC）、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）和碱性燃料电池（alkaline fuel cell, AFC），表3.2 列出了五大类型燃料电池的构成及特征。

续表

Q3国内外燃料电池的研究现状
国际上研究实用型的燃料电池始于20世纪50年代，首先研究的是航天用的碱性燃料电池（AFC），美国在20世纪60年代已成功用之于宇宙飞船上，开始了民用燃料电池的研究最初研究和最早研制成试用样机民用燃料电池的是磷酸型燃料电池（PAFC ），曾研制成功百千瓦级的PAFC和组装成三辆PAFC的公共汽车进行试运行，但由于PAFC价格贵, 20世纪80年代末基本上停止了这种燃料电池的研制和开发。
第二种发展的民用燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)。这种电池由于在650℃工作而对燃料适应范围较广，并能与热机联合循环而进一步提高燃料利用
率，因此发展较快，现已研制成目前各种燃料电池中功率最大（兆瓦级）的试用样机。在此基础上，又提出了固体氧化物燃料电池（SOFC），它的工作温度在9000C左右，因此，对燃料的适应范围更广，而且，由于电解的腐蚀问题很小、寿命长而受到广泛关重视。现已研制成几百千瓦级的样机试运行。
早在研制宇宙飞船用燃料电池时就提出过离子交换膜燃料电池（PEMFC）方案，但当时由于离子交换膜不过关而停止了这种燃料电池的研究。后来在美国杜邦公司研制成全氟磺酸氢离子交换膜后，加拿大巴拉德公司在20世纪80年又开始研制这种燃料电池，并得到迅速发展，现已装配成6辆用氢气为燃料的PEMFC的公共汽车进行试用，现在许多汽车公司已与巴拉德公司联合开发PEMFC的电动车。
由于用氢作燃料有不安全性，而且原来的加油站改变成加气站要花费巨额的投资，因此在20世纪90年代初就开始用甲醇直接作燃料的直接作燃料的直接甲醇离子交换膜燃料电池（DMPEMFC），现已能制备成百瓦级的电池组。
我国在20世纪60年代初就开始进行航天用燃料电池的研究，但在70年代初停止该研究后，没有接着开始民用燃料电池的研究。直到“九五”期间，在中国科学院的推动下，由科技部和中国科学院共同立项才开始进行民用燃料电池的研制，比国外晚20年左右。主要资助汽车用PEMFC的研制，另外，少量投资于MCFC,SOFC和DMFC的研制。因此，我国在民用燃料电池方面的研究水平与国外有很大的差距。
加拿大巴拉德公司在研制成汽车用PEMFC并装配成6辆以氢气为燃料的PEMFC为动力的公共汽车后，许多大汽车公司，如德国奔驰汽车公司等相继与巴拉德公司合作，开发以PEMFC为动力的汽车，他们认为车用的PEMFC的技术基本上已过关，主要的问题是降低价格的问题，现在巴拉德公司研制的6辆以PEM-FC为动力的公共汽车，每辆售价为150万美元，比现在一般的公共汽车贵10倍多。美国能源部认为，汽车用PEMFC的最终价格达到每千瓦50美元时，才能有竞争能力。我国主要由大连化学物理研究所承担车用PEMFC的研制工作，现已研制成30-50kW的电池组，并力争在2000年完成以PEMFC为动力的样车。
目前，在SOFC技术领域处于领先地位的是美国西屋电器公司，在1997年已研制成100kW的管式SOFC，以天然气为燃料。其单体电池的寿命已达60 000h.其主要的问题是电池的制造成本较高。而Siemens, ZTEK等公司研制的是平板型SOFC，如ZTEK公司已研制成27. 5kW的平板型SOFC。最近Siemens公司宣布暂时放弃平板型SOFC的研制，因为它的密封和温度分布不均会引起电池破裂。我国从事SOFC的研制的单位主要有上海硅酸盐研究所、大连化学物理研究所，其中上海硅酸盐研究所、大连化学物理研究所、北京化工冶金研究所研制平板型的SOFC，上海硅酸盐研究所已研制成由10个单体电池组成的电池组，其功率密度为100MWcm-2，电极面积为16cm2。北京化工冶金研究所在引进俄罗斯技术的基础上研制改进型的管式SOFC.
美国和日本在MCFC方面的研制比较先进，进行这方面研究的公司有日本日立和石川岛播磨重工业（IHI ），美国的国际燃料电池公司（IFC）、煤气技术研究所(IGT)和能量研究公司（ERC）等，已研制成兆瓦级的电池组，寿命可达20 000h，单体电池的寿命已达40 000h. MCFC现已成为美、日、欧发展的重点，目前主要的问题已接近解决，正在进行兆瓦级电站试运行，21世纪初可望达到商品化程度。MCFC的主要问题是电极和电解质材料的不稳定性，如在长期运行时阴极的溶解而造成电池短路和电解质支持体的结构变化引起电池性能的下降，从而影响了电池的寿命。我国主要由大连化学物理研究所、长春应用化学研究所和上海冶金研究所承担MCFC的研制工作，大连化学物理研究所主要进行电池的研制工作，现已初步研制成百瓦级的SOFC，而长春应用化学研究所和上海冶金研究所分别研究了阳极和阴极材料，并供大连公学物理研究所进行试验。
近年来，国外在研制直接甲醇离子交换膜燃料电池（DMPEMFC）的进展较快，但还处在初期阶段。其中德国Siemens公司的研究进展最快，已研制成百瓦级的DMPEMFC，在110℃的工作温度下，功率密度为l00mwcm-2 。德国太阳能和氢能研究中心研制了室温下工作的DMPEMFC，功率密度为9mwcm-2，但工作寿命已达10000h。功率密度为100mwcm-2现在主要存在的问题是阳极催化剂的中毒、甲醇易渗透过隔膜而使阴极催化剂性能下降。我国主要由长春应用化学研究所进行DMPEMFC的研制工作，已研制成小型的电池组，室温下工作时，功率密度为20mwcm-2 。
Q4 质子交换膜燃料电池
PEMFC燃料电池最初是在20世纪60年代由美国开发的，已多次成功地用于双子星座宇宙飞船的飞行。然而，当时所用的质子交换膜的抗氧化能力不够，电池组工作寿命短。60年代中期出现的全氟磺酸膜有很好的热稳定性和化学稳定性，因而80年代初开始广泛研制以美国杜邦公司Nafion（一种全氟磺酸膜）作为交换膜的PEMFC，同时亦偶有使用Dow公司的Dow膜和聚苯并咪唑(PBI)膜。PEMFC一般用氢作为燃料，由于氢的储存和运输的问题，人们开始提出用甲醇等有机小分子作为PEMFC的燃料。
H2-O2质子交换膜燃料电池以H2作燃料，电池反应实际上是氢气和氧气反应生成水。电极的制备采用气体扩散电极的技术，以提高电池的性能。理论计算结果表明，该种燃料电池的电动势为1. 229V，工作电压约0. 80V，此电池制作较简单，寿命长，但使用的贵金属用量较多，价格高。目前加拿大已有该燃料电池的电动汽车展示。
有机小分子尤其是甲醇，作为PEMFC燃料电池的燃料具有以下优点：(1)在常温常压下是液体，携带和储存都很方便；(2)燃料氧化产生的最终产物是CO2 和水，对环境污染极小；(3)来源丰富，价格低廉；(4)无C-C键束缚，电化学活性高。
甲醇燃料电池可分为外重整式和内重整式两种。前者是通过重整器把甲醇重整为氢，然后氢在催化剂作用下与氧气反应产生电能。而内重整式无需重整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整式燃料电池相比，直接甲醇PEMFC (DMPEM-FC）具有体积小、重量轻、结构简单、容易操作、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而最有希望发展成为小型电站和交通运输工具等的动力电源。
DMPEMFC燃料电池以质子交换膜或酸性电解液为电解质时反应如下：

理论计算结果表明：直接甲醇燃料电池的电动势为1. 214V，能量转换效率为96.68％
图3.3为DMPEMFC的示意图。

图 3.3直接甲醇质子交换膜燃料电池原理图
尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点，但要达到实际应用还有大量问题有示进一步解决，目前它的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的也只有. 10W cm-2。而要达到实际应用，功率必须达到0. 25W cm-2上，同时还要使电池满足性能高，寿命长和价格低三个条件。目前限制DMPEMFC实际应用的主手问题是阳极催化剂低的活性、高的价格及催化剂的毒化。因此必须提高阳极催二剂的活性，降低催化剂的用量，降低或消除催化剂的毒化。

阅读材料
A battery is a portable ,self-contained electrochemical power source that consists of one or more voltaic cells.For example ,the common 1.5Vbatteries used to power flashlights and many consumer electronic devices are single voltaic cells .Greater voltages can be achieved by using multiple voltaic cells in a single battery ,as is the case in 12-V automotive batteries .When cells are connected in series (with the cath