第七讲 燃料电池和太阳能电池

MCFC已经属于成熟技术，大多集中于 美国、日本和欧洲。
日本IHI
美国FuelCell Energy
德国MTU
固态氧化物燃料电池 (SOFC)
➢ 电 解 质 是 固 态 YSZ (掺入三氧化二钇的 氧化锆)，导电离子 O2- 。
➢ 工作温度在摄氏 800-1000 度 间 ， 电 池材料要求较高。
SiC多孔薄膜用做磷酸燃料电池隔膜。 ➢ 双极集流板材料
采用模铸工艺由石墨粉和酚醛树脂或聚苯硫醚树脂 模铸而成。
磷酸燃料电池属于高度成熟技术并已商业化
Five PAFC fuel cells
Generating 1 MW electric power
Anchorage, Alaska
质子交换膜燃料电池 (PEMFwk.baidu.com)
➢ 主要应用于太空飞行 中。
➢ 反应对氢与氧中的二 氧化碳杂质很敏感， 因此，大部分研发工 作已停止。
碱性染料电池材料
➢ 电极材料 阳极材料采用对氢电化学氧化具有良好
催化活性的Pt-Pd/C、Pt/C或硼化镍等。PtNi-La/C是一种制备阳极的很好的材料。
阴极材料采用对氧的阴极还原具有良 好活性的Pt/C、Ag、Ag-Cu、Ni等。
➢ 隔膜材料
熔融碳酸盐燃料电池电解质隔膜要求强度高 和耐高温熔盐的腐蚀，在进入电解质后起到电 子绝缘、离子导电、阻气密封等作用。熔融碳 酸盐燃料电池中所使用的电解质隔膜材料主要 为-LiAlO2和- LiAlO2两种晶相材料。
➢ 双极集流板材料
目前双极板材料一般采用不锈钢，不过，它 们的耐腐蚀性能远满足不了实用化要求，因此 必须寻求适当的表面防护技术。
燃料電池發電具有高效率之特點
傳統熱機發電：化學能(燃燒) 熱能機械能電能 燃料電池發電：化學能(電化學反應) 電能
➢负荷调节灵活
由于燃料电池发电装置是模块结构，容量可 大可小，布置可集中可分散，且安装简单，维修 方便。这种优良性能使燃料电池不仅能向广大民 用用户提供独立热电联供系统，也能集中发电， 或在用电高峰时作为调节的储能电池使用。
➢燃料来源广
符合能源多元化的原则：只要含有氢原子的 物质都可以作为燃料，如氢气、天然气、煤炭气 化气、酒精及甲醇等。
燃料电池是电池或发电机？
1.2 燃料电池的分类
燃料电池依电解质种类区分 ➢ 高温型(600-1000oC)
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） ➢ 低温型 (60-220oC) 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料电池（PAFC） 质子交換膜燃料电池（PEMFC） 直接甲醇燃料电池（DMFC）
Chp8 能源材料-
燃料电池材料和太阳能电池材料
一、燃料电池材料
1.1工作原理与优势 燃料电池的起源
Gas Voltaic Battery
by William R. Grove in 1839
质子交换膜燃料电池的电化学反应示意图
燃料电池发电具有高效率
传统热机发电：化学能(燃烧)热能机械能电能 燃料电池发电：化学能(电化学反应)电能
➢ 除氢气外，也可用 天然气及煤气等碳 氢化合物为燃料。
固体氧化物燃料电池材料
➢ 电极材料 用做固体氧化物燃料电池阴极材料有贵金属
（如金、银、铂等）、掺锡的In2O3、掺杂ZnO 和掺杂SnO2等。但是这些材料要么价格昂贵， 要么热稳定性差。目前发现钙钛矿结构氧化物 是一类性能较好的阴极材料。
阳极材料最先使用焦炭，而后使用金属 （Ni、Co和贵金属）作阳极材料。Ni/Y2O3ZrO2金属陶瓷是当前主要制备阳极的材料。
磷酸燃料电池 (PAFC)
➢ 采用高浓度磷酸溶液为电解质，导电离子为H。 ➢ 燃料气体必须纯化，以避免铂催化剂被一氧化碳毒化。 ➢ 暖机时间长，启动慢，不适合作交通工具的动力。
磷酸燃料电池材料
➢ 电极材料 目前，磷酸燃料电池的气体扩散电极所用的材料主
要是贵金属铂或铂的合金。阴极使用Pt-Cr、Pt-Co-Cr、 Pt-Fe-Mn和Pt-Co-Ni-Cu等合金，阳极使用Pt-Ru等合金。 为了降低贵金属的用量，或取代贵金属及其合金的电催 化剂，过渡金属有机大环化合物正逐渐向磷酸盐燃料电 池的阴极方面应用。 ➢ 隔膜
在电池升温过程中经高温氧化而成。阴极气氛 一般采用空气加CO2或氧气加CO2。但是NiO在 电池运行过程中可溶解于电解质中，所以，可 将LiCoO2涂敷在NiO上制备电极。
阳极材料要求具有良好的催化活性、导电 性、抗腐蚀性及高温蠕变性等综合性能。阳极 一般采用添加Cr、Cu和Al等元素的镍合金或是 氧化物陶瓷材料（La2O3/Sm2O3）
➢ 隔膜材料
隔膜通常采用Y2O3和ZrO2的混合粉料 经带铸法或刮膜法来制备，也可采用其他 方法（如电化学气相沉积、喷涂等技术） 来制备成更薄的电解质膜。
➢ 双极连接材料
目前主要有LCC（La1-xCaxCrO3）材料 和Cr-Ni合金材料两类。
碱性燃料电池 (AFC)
➢ 采用氢氧化钾或氢氧 化钠溶液为电解质， 导电离子为OH-。
为了降低成本，提高催化剂的使用率， 一般要将催化剂担载到导电良好的碳担体 上，碳担体一般为活性炭。
➢ 双极集流板材料
常以无孔碳板，镍板或镀镍、镀银、 镀金的金属板为双极板材料，在板面上可 加工成各种形状的气体流动通道。
➢ 隔膜材料
隔膜采用石棉膜，其主要成分为氧化 镁和氧化硅（3MgO·2SiO2·2H2O）。
➢ 采用湿润的高分子质 子交换膜为电解质， 导电离子为H。
➢ 阴极和阳极皆以铂为 主要催化剂。
➢ 燃料气体必须纯化， 以避免铂催化剂被一 氧化碳毒化。
质子交换膜燃料电池材料
➢ 电极材料 当燃料是氢气或空气时，Pt纳米粉高度分散
在导电、耐腐蚀的炭黑上构成阴阳两极的主要 材料。如果燃料是碳氢化合物时，则用铂合金 作为制备阳极的材料。
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)
➢ 采用熔融态的碳酸锂及碳 酸钾或碳酸钠为电解质， 导电离子为CO32-。
➢ 操作温度为650oC。 ➢ 以镍基合金和氧化镍作催
化剂，成本较低。 ➢ 除了氢气外，也可使用天
然气及煤气等碳氢化合物 为燃料。
熔融碳酸盐燃料电池材料
➢ 电极材料 阴极一般采用多孔的NiO，它是多孔金属Ni