第四章 燃料电池材料资料
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第四章 燃料电池（Fuel cell )材料
介绍内容
4.1 燃料电池介绍 4.2 质子交换膜燃料电池材料 4.3 熔融碳酸盐燃料电池材料 4.4 固体氧化物燃料电池材料 4.5 燃料电池的应用与前景
4.1 燃料电池介绍
4.1.1 简介 (1)什么是燃料电池？ 简单地说，燃料电池1(Fuel Cell，简称FC)是 一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为 电能的电化学装置。 作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、 水电和核电之后的第四种发电方式。与火力发电 相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程 是直接方式，如图 1-1 所示。
燃料电池与普通电池比较：
相同点：电化学反应的两个电极半反应分别在阴极和阳 极上发生，从而在外电路产生电流来发电的。
不同点：普通一次电池是一个封闭体系，与外界只有能 量交换而没有物质交换。燃料电池是一个敞开体系，与外 界不仅有能量的交换，也存在物质的交换。
4.1.4 燃料电池的类型和各类型的特点
碱性燃料电池（AFC）
热能
传统技术
动能
燃料电池 化学能
电能
图4-1
燃料电池直接发电与传统间接发电的比较
(2) 燃料电池发展过程中的重大事 件 1839 年，英国的格罗夫发明“气体伏打电池”，格罗夫 也被称为“燃料电池之父”； 1896年，美国的雅克研制成功第一个数百瓦（大约300瓦） 的煤燃料电池； 1897 年 ， 德 国 的 能 斯 特 发 明 “ 能 斯 特 物 质 ” ----YSZ （85%ZrO2+15%Y2O3),该物质是目前广泛使用的高温固体氧 化物燃料电池的电解质材料； 1959年，英国的培根和弗洛斯特研制成功 6KW碱性燃料 电池系统,并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机；丽斯-查尔莫斯 公司开发出第一辆碱性燃料电池拖拉机 ，可以推动 3000lb (1lb =0.4536kg)的重物；65年，用于阿波罗登月飞船；67年， 通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽车Electrovan。
1996年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电池 试验电厂开始供电。
4.1.2 燃料电池的构造
燃料电池主要构成：阴极、阳极及电解质 （电极一般采用多孔材料）。
4.1.3 燃料电池的工作原理
虽然燃料电池的种类很多并且不同类 型的燃料电池的电极反应各有不同，但都 是由阴极﹑阳极﹑电解质这几个基本单元 构成，其工作原理是一致的。
燃 料 电 池
磷酸燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
固体氧化物燃料电池（SOFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
表4-1
种类 电解质 电 解 工作温 质 度范围 腐蚀性 AFC
五种燃料电池特点
PAFC H3PO4 190～ 210 强 MCFC Li2CO3, K2CO3 600～700 强 SOFC PEMFC
55～70 空气做氧化 剂、天然气 或甲烷做燃 料
优点
表4-2
种类 可应 用领 域 缺点 AFC 航天，特 殊地面， 广泛
五种燃料电池特点
PAFC MCFC SOFC PEMFC 电汽车，潜艇， 可移动动力源
特殊需求， 区域供电， 区域供电 联合发电 区域供电
对CO敏感； 工作温度较 工作温度过高 需以纯氧 高 做氧化剂； 启动慢； 成本高 成本高
KOH < 260 中 纯氧
ZrO2+Y2O3 离子交换膜 （特别是阳离 子交换膜） 约1000 无 空气 约85 无
氧化剂
极板材料
镍
石墨
镍， 不锈钢
陶瓷
Biblioteka Baidu
石墨，金属
表4-2
种 类 催化剂 阳/阴极 AFC 镍/ 银系 电解 纯氢
五种燃料电池特点
PAFC 铂系 MCFC 镍/氧化镍 SOFC 镍LaMnO3 或LaCoO3 天然气，甲 醇，煤气 PEMFC 铂系
1960年，美国通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电 池；接下来几年，质子交换膜燃料电池被美国应用于双子星 座飞船； 1979年，在美国纽约完成了4.5MW磷酸燃料电池电厂的 测试；1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发成功 第一辆磷酸燃料电池公共汽车；1991年，日本千叶县的11MW 磷酸燃料电池试验电厂达到设计功率；
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池 (DMFC) 以氢为基础的利 特 殊 燃 料 电 池
用可再生能源的 闭合循环发电系 统
再生燃料电池(RFC)
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
唯一使用固 再生燃料电池(RFC) 体燃料的燃 料电池 直接碳燃料电池(DCFC)
燃
料
天然气， 轻质油， 甲醇等重 整气 40～45 对CO2 不 敏感；成 本相对较 低
天然气， 甲醇等重 整气，煤 气 50～65 空气做氧 化剂、天 然气或甲 烷做燃料
天然气，甲醇 等 重整气 30～40 空气做氧化剂； 固体电解质； 室温工作；启 动迅速
发电效率 45～50 启动快； 室温常压 下工作
对CO非常敏 感； 反应物需要加 湿
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
再生燃料电池(RFC)
直接碳燃料电池(DCFC)
燃料是液态的 几种特殊类型的燃料电池 甲醇，发展迅 速，商业潜力 大
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
再生燃料电池(RFC)
4.1.5 燃料电池的特性
高效率 优点 可靠性高 良好的环境效应
存在 问题
特 性
良好的操作性能 灵活性高 燃料来源广泛
以简单的酸性电解质氢氧燃料电池为例说明燃料 电池的工作原理。
燃料电池的基本反应如下：
燃料电池的工作原理：
燃料气（氢气﹑甲烷等）在阳极催化剂的作用下发生 氧化反应，生成阳离子并给出自由电子。 氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发生还 原反应，得到电子并产生阴离子。 阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导 电而电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极上， 生成反应产物并随未反应完全的反应物一起排到电池外。 与此同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反 应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，外部用电器就获得 了燃料电池所提供的电能。
介绍内容
4.1 燃料电池介绍 4.2 质子交换膜燃料电池材料 4.3 熔融碳酸盐燃料电池材料 4.4 固体氧化物燃料电池材料 4.5 燃料电池的应用与前景
4.1 燃料电池介绍
4.1.1 简介 (1)什么是燃料电池？ 简单地说，燃料电池1(Fuel Cell，简称FC)是 一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为 电能的电化学装置。 作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、 水电和核电之后的第四种发电方式。与火力发电 相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程 是直接方式，如图 1-1 所示。
燃料电池与普通电池比较：
相同点：电化学反应的两个电极半反应分别在阴极和阳 极上发生，从而在外电路产生电流来发电的。
不同点：普通一次电池是一个封闭体系，与外界只有能 量交换而没有物质交换。燃料电池是一个敞开体系，与外 界不仅有能量的交换，也存在物质的交换。
4.1.4 燃料电池的类型和各类型的特点
碱性燃料电池（AFC）
热能
传统技术
动能
燃料电池 化学能
电能
图4-1
燃料电池直接发电与传统间接发电的比较
(2) 燃料电池发展过程中的重大事 件 1839 年，英国的格罗夫发明“气体伏打电池”，格罗夫 也被称为“燃料电池之父”； 1896年，美国的雅克研制成功第一个数百瓦（大约300瓦） 的煤燃料电池； 1897 年 ， 德 国 的 能 斯 特 发 明 “ 能 斯 特 物 质 ” ----YSZ （85%ZrO2+15%Y2O3),该物质是目前广泛使用的高温固体氧 化物燃料电池的电解质材料； 1959年，英国的培根和弗洛斯特研制成功 6KW碱性燃料 电池系统,并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机；丽斯-查尔莫斯 公司开发出第一辆碱性燃料电池拖拉机 ，可以推动 3000lb (1lb =0.4536kg)的重物；65年，用于阿波罗登月飞船；67年， 通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽车Electrovan。
1996年，美国加利福尼亚州的2MW 熔融碳酸盐燃料电池 试验电厂开始供电。
4.1.2 燃料电池的构造
燃料电池主要构成：阴极、阳极及电解质 （电极一般采用多孔材料）。
4.1.3 燃料电池的工作原理
虽然燃料电池的种类很多并且不同类 型的燃料电池的电极反应各有不同，但都 是由阴极﹑阳极﹑电解质这几个基本单元 构成，其工作原理是一致的。
燃 料 电 池
磷酸燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
固体氧化物燃料电池（SOFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
表4-1
种类 电解质 电 解 工作温 质 度范围 腐蚀性 AFC
五种燃料电池特点
PAFC H3PO4 190～ 210 强 MCFC Li2CO3, K2CO3 600～700 强 SOFC PEMFC
55～70 空气做氧化 剂、天然气 或甲烷做燃 料
优点
表4-2
种类 可应 用领 域 缺点 AFC 航天，特 殊地面， 广泛
五种燃料电池特点
PAFC MCFC SOFC PEMFC 电汽车，潜艇， 可移动动力源
特殊需求， 区域供电， 区域供电 联合发电 区域供电
对CO敏感； 工作温度较 工作温度过高 需以纯氧 高 做氧化剂； 启动慢； 成本高 成本高
KOH < 260 中 纯氧
ZrO2+Y2O3 离子交换膜 （特别是阳离 子交换膜） 约1000 无 空气 约85 无
氧化剂
极板材料
镍
石墨
镍， 不锈钢
陶瓷
Biblioteka Baidu
石墨，金属
表4-2
种 类 催化剂 阳/阴极 AFC 镍/ 银系 电解 纯氢
五种燃料电池特点
PAFC 铂系 MCFC 镍/氧化镍 SOFC 镍LaMnO3 或LaCoO3 天然气，甲 醇，煤气 PEMFC 铂系
1960年，美国通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电 池；接下来几年，质子交换膜燃料电池被美国应用于双子星 座飞船； 1979年，在美国纽约完成了4.5MW磷酸燃料电池电厂的 测试；1986年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发成功 第一辆磷酸燃料电池公共汽车；1991年，日本千叶县的11MW 磷酸燃料电池试验电厂达到设计功率；
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池 (DMFC) 以氢为基础的利 特 殊 燃 料 电 池
用可再生能源的 闭合循环发电系 统
再生燃料电池(RFC)
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
唯一使用固 再生燃料电池(RFC) 体燃料的燃 料电池 直接碳燃料电池(DCFC)
燃
料
天然气， 轻质油， 甲醇等重 整气 40～45 对CO2 不 敏感；成 本相对较 低
天然气， 甲醇等重 整气，煤 气 50～65 空气做氧 化剂、天 然气或甲 烷做燃料
天然气，甲醇 等 重整气 30～40 空气做氧化剂； 固体电解质； 室温工作；启 动迅速
发电效率 45～50 启动快； 室温常压 下工作
对CO非常敏 感； 反应物需要加 湿
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
再生燃料电池(RFC)
直接碳燃料电池(DCFC)
燃料是液态的 几种特殊类型的燃料电池 甲醇，发展迅 速，商业潜力 大
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
再生燃料电池(RFC)
4.1.5 燃料电池的特性
高效率 优点 可靠性高 良好的环境效应
存在 问题
特 性
良好的操作性能 灵活性高 燃料来源广泛
以简单的酸性电解质氢氧燃料电池为例说明燃料 电池的工作原理。
燃料电池的基本反应如下：
燃料电池的工作原理：
燃料气（氢气﹑甲烷等）在阳极催化剂的作用下发生 氧化反应，生成阳离子并给出自由电子。 氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发生还 原反应，得到电子并产生阴离子。 阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导 电而电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极上， 生成反应产物并随未反应完全的反应物一起排到电池外。 与此同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反 应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，外部用电器就获得 了燃料电池所提供的电能。