第九章_燃料电池_2012
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Chapter 9 Fuel Cell
9.1概述
一、工作原理（work principle)
反应物燃料（如H2)与氧化剂（如O2)发生电 化学反应获得电能的装置
1. Structure and reactions
working principle of fuel cell
2. Contrast with conventional chemical batteries
The figure illustrates a typical performance curve for a stack in a nominal 250-Watt system. This stack, shown in the figure has an active area of 77 cm2 per cell centimeter. Hydrogen is the fuel and the air is at atmospheric pressure.
实际：扩散-欧姆控制
改善气体扩散：增加憎水剂的含量，但液孔数量下降，液 相电阻升高。 减小欧姆极化：减小憎水剂的含量，气孔减小，液孔增加 ，则液相电阻下降，气体扩散阻力增加。
电化学极化-欧姆极化控制：电流多分布于靠近 电解液一侧 扩散控制：电流多分布于靠近气体的一侧 实际：电化学反应最强烈之处，介于二者之间
燃料电池低噪声
三、FC系统 （Fuel cell systems)
空气或纯氧
天然气 甲 醇 重 油 蒸馏油 生物质 …… 富氢 气体
燃料预处理单 元
燃料电池单元
直流
直交流变换单元
交流
热量管理和控制单元
余 热 图9-3 燃料电池发电系统组成
H2的来源
1.电解水 2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学 反应制备H2的过程。 甲醇 天然气、丙烷气、丁烷气 汽油、煤油等石油制品 3.煤炭气化 4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整
二、特点（Characteristics)
1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.清洁能源； 3.负载响应速度快； 4.良好的建设、运行和维护特性，应用范围广阔； 5.燃料来源广泛，副产物水和热可回收利用。 不足： 价格昂贵，高温时寿命和稳定性不理想，缺少 完善的燃料供应体系
燃料电池能量效率
五、发展和应用 （development and applications)
碱性燃料电池（AFC） 稳定的氢氧化钾电解质 主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水
磷酸燃料电池（PAFC） 使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。 可用作公共汽车的动力，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院， 学校和小型电站提供动力。
思考： 高效气体电极特点？气体扩散电极分为几种？ 其理论基础？
9.4 碱性燃料电池 AFC
(-) H2|KOH(或NaOH)|O2(或脱CO2空气)(+)
一、电极和催化剂
⒈ 催化剂 阳极：铂及其合金，雷尼（Raney）镍粉基体 材料 阴极：银基催化剂粉末（如Ag/C）
2.电极
1）多孔结构，比表面积大 2）三相界面处液相传质层很薄，Jd大，浓度 极化小 3）使用催化剂，J0大 4）通过结构设计使反应区保持稳定
降低极化Baidu Nhomakorabea措施：
① 合理选择电解液； ② 改变催化层的结构 (如增大催化层的孔率和孔径，减 小毛细孔的弯曲程度等)； ③ 采用高效催化剂，气体扩散电极的催化层常常做得很 薄，因为电化学反应主要集中在催化层面向电解液一 侧很薄的区域内，厚的催化层对电极性能的改善并没 有贡献。
B）. 扩散控制
电流分布集中在毛细孔面向气体的一侧，而在毛细孔面向 电解液一侧的孔壁上几乎没有电化学反应发生。
四电子反应途径：氧分子连续得到4个电子而直接还原为 水（酸性电解质）或OH-（碱性电解质），常被称为“ 直接还原机理”。
还原过程复杂的原因
⑴ 有4个电子参加反应，在反应历程中往往出现 多种中间产物，因此，催化剂和反应条件不同， 可以有不同的反应机理和控制步骤。 ⑵ 氧还原可逆性很差，氧还原反应的交换电流 密度很小。因此，具有很高的过电势，氧的还原 反应速率很低，杂质影响大。 ⑶ 氧电极反应的电势比较高，大多数金属在水 溶液中不稳定，在电极表面容易出现氧和各种含 氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使电极表面状 态改变，导致反应历程更为复杂。
固定型电解质通常固定地保持在多孔的电解液基体材 料中
2、基体材料
石棉膜：主要成分为：3MgO2ּSiO2ּ2H2O 钛酸钾（K2TiO3）膜 由高温合成的钛酸钾耐氧化，且不溶于KOH溶液 中，故寿命可以大大提高，可达石棉膜的5倍。
三、 碱性燃料电池的排水和排热
静态排水：浓差迁移 ，减压蒸发 动态排水：用泵循环氢气或电解质，将水蒸气带出 燃料电池，然后将氢气流或电解质中的水通过冷凝 或蒸发等过程去除，所回收的氢气或电解质又可以 循环回燃料电池使用。 排热通常与排水过程结合进行
2.气体扩散电极中的物质传递
气相中的物质传递 液相中的物质传递 引用极限电流密度估计气相物质传递 气相传质速度比较大 改善气体扩散，改进电极结构：减薄透气 层厚度、加大孔率、减小孔的曲折系数
3.气体扩散电极中电流分布
A）. 电化学极化－欧姆极化控制
毛细孔内，电流比较集中在靠近电解液一端，越 往孔的深处，电流分布越小，甚至为零。电流密 度越大，这种电流分布不均匀性越严重。
(2) （微孔）隔膜电极
电池由两片用催化剂微粒制成的电极与微孔隔膜 层结合而成(如石棉纸膜)。
图2-10 双层电极示意图
图2-11 微孔隔膜电极
(3) 疏水（防水、增水）电极
通常用催化剂粉末与疏水性材料混合后辗压、喷 涂及经过适当的热处理后制成。常用的疏水材料 是聚乙烯、聚四氟乙烯等。
图 2-12 疏水电极示意图
四、 碱性燃料电池的性能及其影响因素
1、温度对电池性能的影响 60～70℃ ，小于90℃ 2、压力对燃料电池性能的影响 工作压力维持在（0.4～0.5）MPa 一方面：增加工作压力会改善碱性燃料电池性能 一方面：材料、重量、气体涌入电解质区 、氢氧混 合
3、反应气体组成的影响
CO2的影响：
2 CO2 2OH CO3 H 2O
•(-) H2(或含有CO2的重整气)|全氟磺酸固 体聚合物电解质|O2(或空气)(+)
一、质子交换膜
1.作用： 质子交换膜作为电解质为质子传递提供通道； 同时作为隔膜隔离阴阳极反应气体。 质子交换膜的性能在很大程度上决定了整个燃料电 池的性能。 2. 技术要求：高质子电导率、低气体透过率、良好 的热和化学稳定性以及足够的机械强度。
固态氧化物燃料电池（SOFC） 使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解 质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于 800-1000℃之间。 可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆 提供备用动力的潜力。
美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
3C Product
Computer, Communication, Consumer Electronic Product （计算机类、通讯类、消费类电子产品）
9.2 燃料电池热力学基础
一、 燃料电池电动势
aH O RT EE ln 1 nF PH PO 2
0
2 2 2
温度系数
S E nF T P
压力系数
E lg p T
二、燃料电池效率
电池理论效率：
T
TS 1 H
三、三相多孔电极
气体向电极表面输送过程： （1）气体溶解 （2）气体向电极表面附近的传质过程 （3）气体穿越双电层
气、液、固三相的界面处发生，气体反应的消耗以 及产物的疏散都需要扩散来实现。 扩散是气体电极的重要问题。
1. 气体扩散电极的特点
气体扩散电极的理论基础是“薄液膜理论 ”
图2-8 铂电极从4mol/LH2SO4溶液中 提出对氢氧化电流的影响
电池实际效率 电压效率
T V C
V
V E
电流效率（法拉第效率）
C
i im
9.3 燃料电电化学动力学基础
一、 燃料电池极化行为
二、 燃料电池反应机理
1、氢的氧化机理 2、甲醇的氧化机理 3、氧的还原机理
1、氢气的阳极氧化
其具体的反应机理可能有如下几种方式： 在酸性溶液中：
途径一
途径二
在碱性溶液中：
途径一
途径二
2、甲醇的阳极氧化
碳载Pt-Ru二元催化剂目前是直接甲醇燃料电池最成功的催化剂。 其他一些添加金属如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。
3、氧气还原
二电子反应途径：一类是氧分子首先得到两个电子还原为 H2O2， 然后再进一步还原为水，常被称为“过氧化氢中间 产物机理”。
图9-8双孔结构碱性燃料电池电极
图9-9碱性燃料电池憎水电极
二、电解质和基体
1. 电解质：KOH水溶液：其浓度一般为（6～8） molL-1。
电解质存在方式：自由型和固定型。
自由型电解质（循环式）：通常在动力泵的作用下不 断通过燃料电池，带走电化学反应产生的水和热，然 后将水和热从所排出电解质中去除后再循环回燃料电 池。
This unit was assembled to fit within the dimensions of military Battery BA-5590 (see Sec. 6.4.2). The fuel cell is rated at approximately 20 Watts continuous and 40 Watts peak. The canister delivers hydrogen for about 110 Watt-hours of operation at a specific energy of about 160 Wh/ kg. The specific energy of the overall system is about 75 Wh/ kg. On a volume basis, the energy density of the fuel cell system is 110 Wh/L.
图2-9 电极上的薄膜
高效气体电极——大量薄液膜: 气体容易到达且与本体溶液连通较好 气体扩散电极的基本特点: 极限电流密度比全浸没式电极大为增加
jd nFDc0
（1）双层电极
电极由金属粉末和适当的发孔性填料分层压制及烧 结制成。靠近气体的一侧是较大孔径的“粗孔层 ”(30-60微米)，靠近电解液的一侧是较小孔径 的“细孔层” (10-20微米)
H
水
阳极
磷酸
阴极
图9-10磷酸燃料电池结构和工作原理
双极板（导电隔板）
作用与功能： 集流作用，电的良导体 阻气功能，分隔氧化剂与还原剂 导热作用，热的良导体 通过流场确保气体均匀分布 有抗腐蚀能力
流场：双极板上要加工各种形状的沟槽，为 燃料提供进出的通道。 点状、平行、蛇形、网状沟槽
9.5 PEMFC
四、分类（Classification）
1. 所用燃料：直接型，间接型，再生型 2. 工作温度：低温，中温，高温，超高温 3. 电解质类型：
低中温型 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料電池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） [直接甲醇燃料电池 （DMFC）] 高温型 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） (p182 Table 10-2)
1）常规电池 -储能装置 2）燃料电池 -能量转换装置
3. contrast with heat engine热机
热力发电机：燃料—蒸汽—汽轮机—发电机—电能 （40%） 燃料—内燃机—发电机—电能
燃料电池：燃料—燃料电池—电能 （40-60%） 电池反应法拉第效率—副反应 实际输出电压与可逆电势差—极化 生成物为液态—相转变
1）OH-浓度降低，影响电化学反应速率； 2）电解质粘度增加，降低了离子的扩散速率和极限电流 3）生成碳酸盐，会沉积在气体扩散电极的气孔中阻碍反 应气体的传输，还会造成氧气在电解质中的溶解度下降
9.4 PAFC
(-) H2(或含有CO2的重整气)|浓H3PO4|O2(或空气)(+)
电流 负载 氢气 氧气
质子交换膜燃料电池（PEMFC） 电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸 （poly[perfluorosulphonic]acid） Nafion膜， 质子能够渗透但不导电。 汽车和家庭应用的理想能源 直接甲醇燃料电池（DMFC） - 甲醇为燃料 - 适合车载和便携式设备
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 使用熔融的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质 。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化. 。 较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气 轮机则具有较大的吸引力。
9.1概述
一、工作原理（work principle)
反应物燃料（如H2)与氧化剂（如O2)发生电 化学反应获得电能的装置
1. Structure and reactions
working principle of fuel cell
2. Contrast with conventional chemical batteries
The figure illustrates a typical performance curve for a stack in a nominal 250-Watt system. This stack, shown in the figure has an active area of 77 cm2 per cell centimeter. Hydrogen is the fuel and the air is at atmospheric pressure.
实际：扩散-欧姆控制
改善气体扩散：增加憎水剂的含量，但液孔数量下降，液 相电阻升高。 减小欧姆极化：减小憎水剂的含量，气孔减小，液孔增加 ，则液相电阻下降，气体扩散阻力增加。
电化学极化-欧姆极化控制：电流多分布于靠近 电解液一侧 扩散控制：电流多分布于靠近气体的一侧 实际：电化学反应最强烈之处，介于二者之间
燃料电池低噪声
三、FC系统 （Fuel cell systems)
空气或纯氧
天然气 甲 醇 重 油 蒸馏油 生物质 …… 富氢 气体
燃料预处理单 元
燃料电池单元
直流
直交流变换单元
交流
热量管理和控制单元
余 热 图9-3 燃料电池发电系统组成
H2的来源
1.电解水 2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学 反应制备H2的过程。 甲醇 天然气、丙烷气、丁烷气 汽油、煤油等石油制品 3.煤炭气化 4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整
二、特点（Characteristics)
1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.清洁能源； 3.负载响应速度快； 4.良好的建设、运行和维护特性，应用范围广阔； 5.燃料来源广泛，副产物水和热可回收利用。 不足： 价格昂贵，高温时寿命和稳定性不理想，缺少 完善的燃料供应体系
燃料电池能量效率
五、发展和应用 （development and applications)
碱性燃料电池（AFC） 稳定的氢氧化钾电解质 主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水
磷酸燃料电池（PAFC） 使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。 可用作公共汽车的动力，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院， 学校和小型电站提供动力。
思考： 高效气体电极特点？气体扩散电极分为几种？ 其理论基础？
9.4 碱性燃料电池 AFC
(-) H2|KOH(或NaOH)|O2(或脱CO2空气)(+)
一、电极和催化剂
⒈ 催化剂 阳极：铂及其合金，雷尼（Raney）镍粉基体 材料 阴极：银基催化剂粉末（如Ag/C）
2.电极
1）多孔结构，比表面积大 2）三相界面处液相传质层很薄，Jd大，浓度 极化小 3）使用催化剂，J0大 4）通过结构设计使反应区保持稳定
降低极化Baidu Nhomakorabea措施：
① 合理选择电解液； ② 改变催化层的结构 (如增大催化层的孔率和孔径，减 小毛细孔的弯曲程度等)； ③ 采用高效催化剂，气体扩散电极的催化层常常做得很 薄，因为电化学反应主要集中在催化层面向电解液一 侧很薄的区域内，厚的催化层对电极性能的改善并没 有贡献。
B）. 扩散控制
电流分布集中在毛细孔面向气体的一侧，而在毛细孔面向 电解液一侧的孔壁上几乎没有电化学反应发生。
四电子反应途径：氧分子连续得到4个电子而直接还原为 水（酸性电解质）或OH-（碱性电解质），常被称为“ 直接还原机理”。
还原过程复杂的原因
⑴ 有4个电子参加反应，在反应历程中往往出现 多种中间产物，因此，催化剂和反应条件不同， 可以有不同的反应机理和控制步骤。 ⑵ 氧还原可逆性很差，氧还原反应的交换电流 密度很小。因此，具有很高的过电势，氧的还原 反应速率很低，杂质影响大。 ⑶ 氧电极反应的电势比较高，大多数金属在水 溶液中不稳定，在电极表面容易出现氧和各种含 氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使电极表面状 态改变，导致反应历程更为复杂。
固定型电解质通常固定地保持在多孔的电解液基体材 料中
2、基体材料
石棉膜：主要成分为：3MgO2ּSiO2ּ2H2O 钛酸钾（K2TiO3）膜 由高温合成的钛酸钾耐氧化，且不溶于KOH溶液 中，故寿命可以大大提高，可达石棉膜的5倍。
三、 碱性燃料电池的排水和排热
静态排水：浓差迁移 ，减压蒸发 动态排水：用泵循环氢气或电解质，将水蒸气带出 燃料电池，然后将氢气流或电解质中的水通过冷凝 或蒸发等过程去除，所回收的氢气或电解质又可以 循环回燃料电池使用。 排热通常与排水过程结合进行
2.气体扩散电极中的物质传递
气相中的物质传递 液相中的物质传递 引用极限电流密度估计气相物质传递 气相传质速度比较大 改善气体扩散，改进电极结构：减薄透气 层厚度、加大孔率、减小孔的曲折系数
3.气体扩散电极中电流分布
A）. 电化学极化－欧姆极化控制
毛细孔内，电流比较集中在靠近电解液一端，越 往孔的深处，电流分布越小，甚至为零。电流密 度越大，这种电流分布不均匀性越严重。
(2) （微孔）隔膜电极
电池由两片用催化剂微粒制成的电极与微孔隔膜 层结合而成(如石棉纸膜)。
图2-10 双层电极示意图
图2-11 微孔隔膜电极
(3) 疏水（防水、增水）电极
通常用催化剂粉末与疏水性材料混合后辗压、喷 涂及经过适当的热处理后制成。常用的疏水材料 是聚乙烯、聚四氟乙烯等。
图 2-12 疏水电极示意图
四、 碱性燃料电池的性能及其影响因素
1、温度对电池性能的影响 60～70℃ ，小于90℃ 2、压力对燃料电池性能的影响 工作压力维持在（0.4～0.5）MPa 一方面：增加工作压力会改善碱性燃料电池性能 一方面：材料、重量、气体涌入电解质区 、氢氧混 合
3、反应气体组成的影响
CO2的影响：
2 CO2 2OH CO3 H 2O
•(-) H2(或含有CO2的重整气)|全氟磺酸固 体聚合物电解质|O2(或空气)(+)
一、质子交换膜
1.作用： 质子交换膜作为电解质为质子传递提供通道； 同时作为隔膜隔离阴阳极反应气体。 质子交换膜的性能在很大程度上决定了整个燃料电 池的性能。 2. 技术要求：高质子电导率、低气体透过率、良好 的热和化学稳定性以及足够的机械强度。
固态氧化物燃料电池（SOFC） 使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解 质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于 800-1000℃之间。 可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆 提供备用动力的潜力。
美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
3C Product
Computer, Communication, Consumer Electronic Product （计算机类、通讯类、消费类电子产品）
9.2 燃料电池热力学基础
一、 燃料电池电动势
aH O RT EE ln 1 nF PH PO 2
0
2 2 2
温度系数
S E nF T P
压力系数
E lg p T
二、燃料电池效率
电池理论效率：
T
TS 1 H
三、三相多孔电极
气体向电极表面输送过程： （1）气体溶解 （2）气体向电极表面附近的传质过程 （3）气体穿越双电层
气、液、固三相的界面处发生，气体反应的消耗以 及产物的疏散都需要扩散来实现。 扩散是气体电极的重要问题。
1. 气体扩散电极的特点
气体扩散电极的理论基础是“薄液膜理论 ”
图2-8 铂电极从4mol/LH2SO4溶液中 提出对氢氧化电流的影响
电池实际效率 电压效率
T V C
V
V E
电流效率（法拉第效率）
C
i im
9.3 燃料电电化学动力学基础
一、 燃料电池极化行为
二、 燃料电池反应机理
1、氢的氧化机理 2、甲醇的氧化机理 3、氧的还原机理
1、氢气的阳极氧化
其具体的反应机理可能有如下几种方式： 在酸性溶液中：
途径一
途径二
在碱性溶液中：
途径一
途径二
2、甲醇的阳极氧化
碳载Pt-Ru二元催化剂目前是直接甲醇燃料电池最成功的催化剂。 其他一些添加金属如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。
3、氧气还原
二电子反应途径：一类是氧分子首先得到两个电子还原为 H2O2， 然后再进一步还原为水，常被称为“过氧化氢中间 产物机理”。
图9-8双孔结构碱性燃料电池电极
图9-9碱性燃料电池憎水电极
二、电解质和基体
1. 电解质：KOH水溶液：其浓度一般为（6～8） molL-1。
电解质存在方式：自由型和固定型。
自由型电解质（循环式）：通常在动力泵的作用下不 断通过燃料电池，带走电化学反应产生的水和热，然 后将水和热从所排出电解质中去除后再循环回燃料电 池。
This unit was assembled to fit within the dimensions of military Battery BA-5590 (see Sec. 6.4.2). The fuel cell is rated at approximately 20 Watts continuous and 40 Watts peak. The canister delivers hydrogen for about 110 Watt-hours of operation at a specific energy of about 160 Wh/ kg. The specific energy of the overall system is about 75 Wh/ kg. On a volume basis, the energy density of the fuel cell system is 110 Wh/L.
图2-9 电极上的薄膜
高效气体电极——大量薄液膜: 气体容易到达且与本体溶液连通较好 气体扩散电极的基本特点: 极限电流密度比全浸没式电极大为增加
jd nFDc0
（1）双层电极
电极由金属粉末和适当的发孔性填料分层压制及烧 结制成。靠近气体的一侧是较大孔径的“粗孔层 ”(30-60微米)，靠近电解液的一侧是较小孔径 的“细孔层” (10-20微米)
H
水
阳极
磷酸
阴极
图9-10磷酸燃料电池结构和工作原理
双极板（导电隔板）
作用与功能： 集流作用，电的良导体 阻气功能，分隔氧化剂与还原剂 导热作用，热的良导体 通过流场确保气体均匀分布 有抗腐蚀能力
流场：双极板上要加工各种形状的沟槽，为 燃料提供进出的通道。 点状、平行、蛇形、网状沟槽
9.5 PEMFC
四、分类（Classification）
1. 所用燃料：直接型，间接型，再生型 2. 工作温度：低温，中温，高温，超高温 3. 电解质类型：
低中温型 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料電池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） [直接甲醇燃料电池 （DMFC）] 高温型 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） (p182 Table 10-2)
1）常规电池 -储能装置 2）燃料电池 -能量转换装置
3. contrast with heat engine热机
热力发电机：燃料—蒸汽—汽轮机—发电机—电能 （40%） 燃料—内燃机—发电机—电能
燃料电池：燃料—燃料电池—电能 （40-60%） 电池反应法拉第效率—副反应 实际输出电压与可逆电势差—极化 生成物为液态—相转变
1）OH-浓度降低，影响电化学反应速率； 2）电解质粘度增加，降低了离子的扩散速率和极限电流 3）生成碳酸盐，会沉积在气体扩散电极的气孔中阻碍反 应气体的传输，还会造成氧气在电解质中的溶解度下降
9.4 PAFC
(-) H2(或含有CO2的重整气)|浓H3PO4|O2(或空气)(+)
电流 负载 氢气 氧气
质子交换膜燃料电池（PEMFC） 电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸 （poly[perfluorosulphonic]acid） Nafion膜， 质子能够渗透但不导电。 汽车和家庭应用的理想能源 直接甲醇燃料电池（DMFC） - 甲醇为燃料 - 适合车载和便携式设备
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 使用熔融的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质 。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化. 。 较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气 轮机则具有较大的吸引力。