新能源材料第4-6讲

我国在70年代曾组装了10kW、20kW以NH3分解气为燃料的电池组， 并进行了性能测试，80年代研制成功千瓦级水下用AFC；
美国还开发了再生氢氧燃料电池(RFC)拟作为高效储能电池用于空
间站和太空开发，以替代二次化学电源。
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4.2.2 磷酸型燃料电池
磷酸型燃料电池(PAFC)利用天然气重整气体为燃料，
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第五章 质子交换膜型燃料电池材料
5.1 质子交换膜型燃料电池简介 5.2 质子交换膜型燃料电池材料 5.3 电池组技术
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5.1 质子交换膜型电池型材料简介
（1）原理
质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸 型固体聚合物为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为电催 化剂，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧 为氧化剂。
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4.2.4 熔融碳酸盐型燃料电池
熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)的工作温度在650～700,以浸有 (K、Li)CO3的LiAlO2隔膜为电解质。电催化剂无需使用贵金属，以雷尼 镍和氧化镍为主，可用净化煤气或天然气为燃料。
美国从事MCFC研究的有国际燃料电池公司(IFC)、煤气技术研究所(IGT)和能 量研究公司(ERC),1995年ERC公司在加州建立了2MW试验电厂；
高比功率和比能量、室温下能快速启动的PEMFC作为电动车动力源时， 动力性能可与汽油、柴油发动机相比，而且是与环境友好的动力源；
我国应利用丰富的稀土资源，在MCFC电池材料方面取得突破； 对于SOFC，应主攻中温(800~850)SOFC电池，以减缓SOFC对材料的
需求，其途径之一是制备薄而致密的YSZ膜，另一就是探索新型中温 固体电解质，加速SOFC发展。
由于碱性氢氧燃料电池(AFC)技术的高度发展，该电池已成功应用 于航天飞行中；
美国已成功将Bacon型AFC用于阿波罗(Apollo)登月飞行计划；
德国西门子公司开发了100kWAFC并在艇上试验，作为不依赖空气的 动力源已并获成功；
我国早在60年代末就进行了AFC研究，70年代经历了研制FC的高潮， 已成功研制两种石棉膜型、晶态排水的AFC；
我国还进行了La(Sr)MnO3导电性能的研究。
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4.3 前景与挑战
我国研制的航天用AFC与美国同类型Shuttle用AFC相比差距还很大，为 适应我国宇航事业发展，需改进电催化剂与电极结构，提高电极活性 等；
RFC是在空间站用的高效储能电池，随着宇航事业和太空开发的进展， 尤其需要大功率的储能电池，会展现出它的优越性。
它的研究工作减少，寄希望于批量生产，降低售价。
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4.2.3 质子交换膜型燃料电池
质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以 Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化 剂。特别适合作移动动力源，是电动汽车和AIP推进潜艇的理想电源之一， 也是军民通用的可移动动力源。
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4.2.5 固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池(SOFC)是以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质， 以锶掺杂的锰酸镧(LSM)为空气电极，Ni-YSZ为阳极的全固态陶瓷结构。其 工作温度达900～1000，易与煤气化和燃气轮机等构成联合循环发电。至今 已开发了管式、平板式与瓦楞式等多种结构形式的SOFC。
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第四章 燃料电池现状与未来
4.1 概述 4.2 几种燃料电池的研究现状 4.3 前景与挑战
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4.1 概述
燃料电池(FC)是一种在等温下直接将储存在 燃料和氧化剂中的化学能高效(50%~70%)而与 环境友好地转化为电能的装置。其发电原理与 化学电源一样，是由电极提供电子转移场所。 阳极进行燃料(如氢)的氧化过程，阴极进行氧化 剂(如氧等)的还原过程。
1994年，日本分别由日立和石川岛播重工业完成两个100kW、电极面积1平 方米的加压外重整MCFC；
在西欧，德国MTU宣布在解决MCFC性能衰减和电解质迁移方面取得重大突 破；该公司开发的至今世界上最大的280kW单组电池正在运行；
我国从1993年开始进行MCFC的研究，其研究领域包括：LiAlO2粉料的制备 方法， LiAlO2隔膜的制备、以烧结Ni为电极组装了28cm2、110cm2单池，对 单池电性能进行了全面测试。
空气做氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质， Pt/t为电催化剂，产生的直流电经直交变换以交流形式工 给用户。日本东京4500kW的PAFC电厂已经成功运行， PAFC是高度可靠电源，可作为医院、计算机站的不间断电 源。由于PAFC热电效率仅有40％左右，利用价值低，启 动时间长，不适于作移动动力源，因此，近年来国际上对
80年代，美国Westinghouse电气公司首先研究管型SOFC；
德国从1992年重点研究发展了平板式SOFC，至今功率已超过了10kW，局世界领 先地位；
丹麦与澳大利亚分别进行了平板式SOFC开发，日本开发的平板式SOFC功率已达 千瓦级；
我国从1995年开始研究SOFC，先后研究La0.8Sr0.2MnO3/YSLeabharlann Baidu电极氧还原动力学、 氧空位生成动力学；
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4.2 几种燃料电池的研究现状
4.2.1 碱性氢氧电池（AFC） 4.2.2 磷酸型燃料电池（PAFC） 4.2.3 质子交换膜型燃料电池（PEMFC） 4.2.4 熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC） 4.2.5 固体氧化物燃料电池（SOFC）
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4.2.1 碱性氢氧燃料电池
60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行；
1983年，加拿大国防部资助Ballard公司发展PEMFC，至今已取得突破性进展；
我国从1995年开始利用AFC技术积累全面开展了PEMFC研究；
我国在70年代研究过以聚苯乙烯磺酸膜为电解质PEMFC，90年代初开展了PEMFC 跟踪研究，在Pt/C电催化剂制备、表征与解析方面进行了广泛的工作。