燃料电池详解
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燃料电池详解
1996 年10 月燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置。从原理上讲, 燃料电池不受卡诺循环限制, 与传统热机相比, 具有能量转化效率高(可达50%～ 60% ) 和环境友好(即很低的NO x、SO 2 和噪音排放) 等优点[ 1 ]。早在内燃机问世之前(1842 年) , 英国的W illiam Grove 就展示了世界上第一台以稀硫酸为电解质, H2、O 2 为燃料的电化学电能转化装置[ 2 ]。然而到本世纪50 年代之前, 由于电极过程动力学理论的落后以及在19 世纪后期内燃机这种相对简单的能量转化装置的问世和迅速发展, 燃料电池的发展一直处于停滞状态[ 1 ]。到本世纪中叶, 在宇航工业发展的推动下, 常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展。由于当时这类燃料电池系统造价昂贵, 只在航天、军事等特殊场合应用。近年来, 由于矿物资源的日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视,人们迫切希望发展高效的既可节省有限矿物资源同时又可减少CO 2 排放的环境友好发电技术。燃料电池发电技术正好满足以上要求, 重新受到人们的重视。燃料电池从第一代碱性燃料电池(A FC) 开始已经发展到今天的第五代离子膜燃料电池(PEM FC)。除了A FC 电池外, 第二代磷酸电池(PA FC) , 第三代熔融碳酸盐电池(MCFC) , 第四代固体氧化物电池(SO FC) 和第五代PEM FC 电池各有其优点, 目前都正在向商业化发展。一、SOFC 的特点和其它燃料电池不同, 在SO FC 中, 采用固体氧化物氧离子(O 2- ) 导体(如最常用的Y2O 3 稳定的氧化锆, 简称YSZ) 作电解质起传递O 2- 和分离空气、燃料的双重作用。这类氧化物由于掺杂了不同价态的金属离子, 为了保持整体的电中性, 晶格内产生大量的氧空位。在高温下(& 750℃) , 这类掺杂氧化物具有足够高的O 2- 离子导电性能[ 3 ]。由于采用这种高温氧化物固体电解质, 和其它类型的燃料电池相比, SO FC 具有许多显著优点[ 4～ 5 ]。比如, 由于是全固体的电池结构, 避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题; 高的工作温度(900～ 1000℃) , 使电极反应过程相当迅速, 无须采用贵金属电极, 因而电池成本大大下降; 同时高温工作电池排出的高质量余热可充分利用, 既可用于取暖也可与蒸汽轮机联用循环发电, 能量综合利用效率可从单纯60% 电效率提高到80% 以上。最突出的优点是燃料适用范围广, 不仅可以用H2、CO 等燃料, 而且可直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物作为燃料。目前SO FC 的主要问题是电池组装相对困难, 其中由高温引起的技术难题较多。近几年随着SO FC 材料和组装技术的发展, SO FC 有希望成为将来集中或分散发电的新技术。二、SOFC 电池的工作原理SO FC 电池的原理如图1 所示。固体氧化物(通常用YSZ) 作为电解质起传递O 2- 和分离空气、燃料的作用, 在阴极(空气电极) 上, 氧分子得到电子被还原成氧离子:O 2+ 4e 2O 2- (1)氧离子在电场的作用下, 通过电解质中的氧空位迁移到阳极(燃料电极) 上与燃料H2 或CH4进行氧化反应:2O 2- - 4e + 2H2 2H2O (2a)或　　4O 2- - 8e + CH4 2H2O + CO 2 (2b)电池的总反应是:2H2+ O 2 2H2O (3a)或　　　　CH4+ 2O 2 2H2O + CO 2 (3b)总反应过程的Gibb s 自由能$G 转变为电能, 电池的开路电势为:E e = - $G ? nF (4)电池的理论极限效率则根据文献[ 1 ]定义为:GMAX = $G ? $H (5)·388· 化　学　进　展第9 卷?
Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.$H 为总反应(3a) 或(3b) 的反应热。图2 给出不同燃料的理论电池效率, 其中甲烷为燃料时, 效率基本不随温度变化; H2 或CO 为燃料时效率随温度升高而明显下降, 即温度升高反应热$H 中转化为电能的比例减少, 其余以热量形式排放出来。因此用甲烷直接为燃料对提高能量利用率是有利的。由于电极极化、内阻和燃料利用不完全等原因, 实际电池效率为:G= GMAX ? EE e? Ef (6)E 为电池工作电压, Ef 为燃料利用率。对SO FC 电池而言, 效率一般在50%～ 60% , 其余约40% 的能量以余热排出。从原理上讲, 固体氧化物离子导体作为电解质是最理想的, 因为氧化物离子导体传递氧, 适用于所有可以燃烧的燃料, 包括NH3, H2S 等, 其它电解质的燃料电池则只能依赖于纯氢、CO 或预先将燃料重整。图1　SO FC 燃料电池的工作原理图2　燃料电池理论效率随温度变化　　　三、SOFC 的几种构造从电池结构上讲, SO FC 大体可分为三类: 管式、平板式、瓦楞式(MOLB)。管式SO FC电池结构如图3 所示。管式SO FC 电池由许多一端封闭的电池基本单元以串、并联形式组装而成。每个电池单元从里到外由多孔的CaO 稳定的ZrO 2 (简称CSZ) 支撑管、锶掺杂的锰酸镧(简称L SM ) 空气电极、YSZ 固体电解质膜和N i2YSZ 陶瓷阳极组成。CSZ 多孔管起支撑作用并允许空气自由通过到达空气电极。L SM 空气电极、YSZ 电解质膜和N i2YSZ 陶瓷阳极通常采用电化学沉积(EVD)、喷涂等方法制备, 经高温烧结而成。管式SO FC 的主要特点是电池单元间组装相对简单, 不涉及高温密封这一技术难题, 比较容易通过电池单元之间并联和串联组合成大规模电池系统(如图3 所示) [ 5, 6 ]。但是, 管式SO FC 电池单元制备工艺相当复杂, 通常需要采用电化学沉积法制备YSZ 电解质膜和双极连接膜( in terconnecto r) , 制备技术和工艺相当复杂, 原料利用率低, 造价很高[ 7 ]。目前仅美国W est inghou se 电气公司和几家日本公司掌握管式电池制备技术。平板式SO FC 电池结构如图4 所示。平板式SO FC 的空气电极? YSZ 固体电解质? 燃料第4 期江　义等　高温固体氧化物燃料电池(SO FC) 进展·389·?
Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图3　W est inghouse 管式SO FC 结构剖面图图4　平板SO FC 的结构示意图图5　瓦楞式SO FC 结构示意图　　　电极烧结成一体, 形成夹层平板结构(简称PEN 平板, po sit ive elect ro lyte negat ive p late)。PEN 平板间由开有内导气槽的双极连接板连接, 使PEN 平板相互串联。空气和燃料气体分别从导气槽中交叉流过。为了避免空气和燃料的混合, PEN 板和双极连接板之间采用高温无机粘结剂密封。平板式SO FC 结构优点是电池结构简单, 平板电解质和电极制备工艺简单, 容易控制, 造价也比管式低得多[ 4, 7 ]。而且平板式结构由于电流流程短, 采集均匀, 电池功率密度也较管式高。平板式SO FC 的主要缺点是要解决高温无机密封的技术难题, 否则连最小的电池也无法组装起来。其次, 对双极连接板材料也有很高的要求, 需同YSZ 电解质有相近的热膨胀系数、良好的抗高温氧化性能和导电性能。在过去几年内, 许多外国公司研制开发出类玻璃和陶瓷的复合无机粘结材料, 基本解决了高温密封的问题[ 8, 9 ]。由于高温密封问题的解决, 近几年平板式SO FC 电池迅速发展起来, 电池功率规模也大幅度提高。以德国Siem en s 公司为例, 从90 年代初开始发展平板式SO FC 电池到1995 年短短的几年内,SO FC 电池功率达到10kW , 功率密度高达0. 6W ? cm 2, 居世界领先地位[ 9 ]。瓦楞式SO FC 基本结构和平板式SO FC 相同, 见图5。瓦楞式和平板式的主要区别在于PEN 不是平板而是瓦楞的。瓦楞的PEN 本身形成气体通道而不需要用平板式中的双极连接板, 更重要的是瓦楞型SO FC 的有效工作面积比平板式大, 因此单位体积功率密度大。主要缺点是瓦楞式PEN 制备相对困难。由于YSZ 电解质本身材料脆性很大, 瓦楞式PEN 必须经共烧结一次成型, 烧结条件控制要求十分严格。目前主要有美国·390· 化　学　进　展第9 卷?
Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.A llied2Signal 公司以及少数几家日本公司发展此种类型的SO FC 电池[ 4～ 5 ]。其它类型的SO FC 有套管型(Bell2Sp igo t) 等[ 4 ] , 这里不作详细的描述。四、固体电解质及电池的关键材料11 氧化物固体电解质图6　YSZ 的晶胞结构一般氧化物固体电解质通常为萤石结构的氧化物, 常见的电解质有Y2O 3、CaO 等掺杂的ZrO 2、ThO 2、CeO 2和B i2O 3 氧化物形成的固溶体[ 3 ]。目前应用最广泛的氧离子导体为6～ 10 mo l%Y2O 3 掺杂的ZrO 2。常温下纯ZrO 2属单斜晶系(a= 5. 12~ , b= 5. 17~ , c= 5. 29~ , B= 99°11′) , 1150℃时不可逆地转变为四方结构, 在2370℃下进一步转变为立方萤石结构, 并一直保持到熔点(2680℃) 。这种相变引起很大的体积变化(3%～ 5% , 加热收缩, 降温膨胀)。Y2O 3 等杂价氧化物的引入可以使立方萤石结构在室温至熔点的范围内得到稳定, 同时在ZrO 2 晶格内产生大量的氧离子空位来保持整体的电中性。每加入两个三价离子, 就引入一个氧离子空位。最大电导通常存在于使氧化锆稳定于立方萤石结构所需的最少杂原子掺杂时, 过多的杂原子使电导降低, 电导活化能增加, 其原因可能为缺陷的有序化、空位的聚集及静电的作用[ 3 ]。8 mo l%Y2O 3 稳定的ZrO 2 (YSZ) (图6) 是目前SO FC 中普遍采用的电解质材料, 其电导率在950℃约为0. 1 S? cm。虽然YSZ 的电导率比其它类型的固体电解质如稳定的B i2O 3、CeO 2 小1～ 2 数量级, 但其突出的优点是在很宽的氧分压范围(105～ 10- 15Pa) 内相当稳定[ 3, 4 ] , 是目前少数几种在SO FC 中具有实用价值的氧化物固体电解质。在平板式SO FC中, YSZ 一般为厚100～ 200Lm 的平板, 由刮膜法制备得到。由于YSZ 机械性能较脆, YSZ平板不易做到很大很薄, 目前最大的尺寸可做到250mm ×250mm。为了提高SO FC 单位面积功率密度以及降低SO FC 工作温度, 有人采取在N i2YSZ 阳极陶瓷基板上制备几十微米厚的YSZ 膜。一方面YSZ 膜面积可做到较大, 另一方面可减少YSZ 内阻[ 8 ]。管式SO FC 中,YSZ 通常采用EVD 方法沉积在空气电极外层烧结而成, YSZ 厚度约为40Lm [ 4, 6 ]。21 阴、阳极材料在高温SO FC 中, 要求电极必须具有如下特点: (1) 多孔性　允许反应气体扩散到三相界面, 并增大催化反应表面; (2) 高的电子导电性; (3) 与YSZ 有高度的化学和热相容性以及相近的热膨胀系数。SO FC 中的阴极、阳极, 可以采用P t 等贵金属材料。由于P t 价格昂贵,而且高温下易挥发, 实际很少采用。目前发现, 钙钛矿型复合氧化物L n1- xA xMO 3 (L n 为镧系元素,A 为碱土金属,M 为过渡金属) 是性能较好的一类阴极(空气极) 材料[ 10, 11 ]。Take2da[ 12 ]研究了L a1- xSrxMO 3- D(M = M n, Fe, Co, 0F x F 1) 的阴极极化性质, 得出电极反应速率的顺序为L a1- x SrxCoO 3- D& L a1- x SrxM nO 3- D& L a1- x SrxFeO 3- D& L a1- x SrxCrO 3- D, 各种电极的电极反应的速度控制步骤有很大区别, 其中L a1- x SrxCoO 3- D的速度控制步骤为电荷转移步骤,L a1- x SrxFeO 3- D及L a1- x SrxM nO 3- D的速度控制步骤为氧的解离,L a0. 7Sr0. 3CrO 3- D的第4 期江　义等　高温固体氧化物燃料电池(SO FC) 进展·391·?
Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.速度控制步骤为氧在电极表面的扩散。在电催化活性方面Sr 掺杂的Co 复合物活性最好, 但存在以下缺点: (1)L aCoO 3 的抗还原能力比L aM nO 3 差; (2)L aCoO 3 的热膨胀系数大于L aM nO 3; (3) L aCoO 3 容易同YSZ 发生反应。A 位离子的改变对阴极性质影响也很大。Ish ihara[ 13 ]发现L n1- xA xMO 3 中, 过电势与表面晶粒的大小无关, 主要由L n 的物种决定。P r1- xA xM nO 3 复合物的活性最好, 不同稀土元素添加后的阴极过电势顺序为Y& Yb& L a&Gd& N d& Sm & P r, P r1- xA xMO 3 的低过电势可能是由于P r 的多价性导致的氧化还原特性促进O 2 O 2- 的反应造成, P r1- x SrxMO 3 的活性与比相应工作温度高100 度的L a1- xSrxM nO 3 的活性相当。目前SO FC 中空气极广泛采用锶掺杂的亚锰酸镧(L SM ) 钙钛矿材料, 主要取决于L SM 具有较高的电子导电性、电化学活性和与YSZ 相近的热膨胀系数等优良综合性能[ 4 ]。L a1- xSrxM nO 3 中随Sr 的掺杂量变化, Sr 从0 到0. 5, 电导性连续增大, 但热膨胀系数也不断增大。为了保证和YSZ 膨胀系数相匹配, 一般Sr 量取0. 1～ 0. 3[ 14 ]。平板式SO FC 中, 采用不同的喷涂方法将L SM 浆料涂覆在YSZ 板上, 经高温(1300～ 1400℃) 烧结成电极, 厚度约为50～ 70Lm。管状SO FC 中,L SM 则采用沉浆(slu rry) 技术将L SM 沉积在CSZ 多孔支撑管壁上烧结而成, 厚度约1. 44mm。目前普遍采用N i2YSZ 陶瓷材料为阳极(燃料电极)。N i2YSZ 陶瓷材料具有催化活性高、价格低等优点。N i2YSZ 陶瓷电极制备一般采用亚微米的N iO 和YSZ 粉充分混合后用Screen P rin t ing 或浸涂的方法沉积在YSZ 电解质上, 经高温(1400℃) 烧结形成厚度约为50～ 100Lm 的N i2YSZ 陶瓷电极[ 4 ]。N i2YSZ 的电导大小及性质由混合物中两者的比例决定,N i 的体积分数低于30% 时, 与YSZ 相似, 主要表现为离子电导, 大于30% 后表现为金属的导电性。N i2YSZ 的电导还与其微观结构有关, 当使用低表面积的YSZ 时, 由于N i 主要分布在YSZ 表面, 可以增加电导[ 15 ]。N i2YSZ 陶瓷电极中YSZ 的作用之一是调节N i2YSZ 电极的热膨胀系数, 使之与YSZ基底接近。更重要的是YSZ 的加入增大了电极2YSZ 电解质2气体的三相界面区域, 即电化学活性区的有效面积[ 16 ] , 使单位面积的电流密度增大。阳极材料研究范围较窄, 主要集中在N i、Co、Ru 等适合做阳极的金属以及具有混合电导性能的氧化物如Y2O 32ZrO 22T iO 2。金属Co 也是很好的阳极材料, 其电催化活性甚至比N i 高, 而且耐硫中毒比N i 好, 但由于Co 价格较贵, 一般很少在SO FC 使用[ 17 ]。近几年, 有人采用变价氧化物, 如M nO x , CeO 2 修饰YSZ 表面后制备N i2YSZ 陶瓷电极, 活性明显提高, 功率密度可高达1. 0W ? cm 2 [ 18 ]。31 双极连接材料双极连接板在SO FC 中起连接阴阳电极作用, 特别在平板式SO FC 中还起导气和导电作用, 是平板式SO FC 关键材料之一。双极连接板在高温(900～ 1000℃) 和氧化、还原气氛下必须具备机械、化学稳定性, 高的导电率和与YSZ 相近的热膨胀系数[ 4, 19 ]。目前主要有两类材料能满足平板式SO FC 连接材料的要求: 一种是钙或锶掺杂的铬酸镧钙钛矿材料L a1- xCaxCrO 3 (简称LCC) , L a1- xCaxCrO 3 具有很好的抗高温氧化性和良好的导电性能及匹配的热膨胀系数, 但这类材料比较昂贵, 采用这种连接板材料, SO FC 电池中连接板的费用约占电池总费用的80% [ 7, 20 ]。另一类材料是耐高温Cr2N i 合金材料, 如Inconel 镍, 基本能满足SO FC 的要求, 但Cr2N i 合金材料的长期稳定性能较差。德国Siem en s 公司和奥地利·392· 化　学　进　展第9 卷?
Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.M etallw erk P lan see 公司合作研制的一种耐高温合金, 作平板式SO FC 连接材料, 各项性能及长期稳定性明显优于其它耐高温材料。据报道, 材料的主要成分是Cr2N i 合金, 其中含有5%Fe 和1%Y2O 3[ 21 ] , Siem en s 公司用这种合金组装的平板式SO FC, 已成功地运转了两年,性能稳定。平板式SO FC 的连接板厚度约5mm。管式SO FC 的连接材料一般采用LCC, 用EVD 方法沉积在L SM 电极上烧结而成, 厚度约40Lm [ 4, 19 ] , 见图3。高温无机密封材料是平板式SO FC 的关键材料之一, 用于组装电池时夹层平板结构和双极连接板之间的密封。高温无机密封材料必须具备高温下密封性好, 稳定性高以及与固体电解质和连接板材料热膨胀兼容性好等特点。由于技术保密的原因, 高温无机密封材料的组成尚不公开。据了解高温密封主要采用高温玻璃材料或玻璃? 陶瓷复合材料[ 4, 8 ]。五、国内外SOFC 的研究与开发现状早在1937 年Bau r 和P reis[ 22 ]研制出第一台固体氧化物燃料电池, 然而到了80 年代初固体氧化物燃料电池才迅速发展起来。和所有类型的燃料电池一样, SO FC 的研究与开发工作需投入大量的资金。目前大多数SO FC 的研制开发工作均在发达国家的科研机构或大公司研究所里进行, 其中美国、德国和日本在SO FC 的研究方面进展最为迅速, 居世界领先水平(见表1) 。美国W est inghou se 电气公司是最早从事SO FC 研究的公司, 主要集中在发展管式SO FC 电池。1986～ 1992 年,W est inghou se 电气公司已成功研制出两个25kW 的管式SO FC 电池系统, 并分别在日本大坂和美国南加州进行直接用管道天然气的几千小时的试验运行。试验证明电池的电能输出、关闭、起动热循环等各项性能良好, 电池的性能衰减率在0. 5%～ 2% [ 23, 24 ]。从1995 年起,W est inghou se 电气公司采用空气电极作为支撑管(air elec2t rode suppo rto r, 简称A ES) 新技术, 取代原来CSZ 多孔支撑管。采用A ES 技术, 不但简化了SO FC 制备工艺, 单管电池的功率也由原来PST 结构的24W 提高到210W , 提高近3 倍。电池的功率密度也有改善。更主要的是电池的稳定性有很大的提高, 1kh 运行的性能衰减率小于0. 2% , 多次起动、关机循环试验对电池的性能也几乎没有影响[ 24 ]。W est inghou se 电气公司目前正为荷兰? 丹麦U t ilit ies (WDM ? EL SAM ) 公司建造100kW 的管式SO FC 电池系统,预计1997 年交付使用。这套SO FC 电池将为荷兰地区电网供电, 同时将向荷兰的Du iven?W estervoo rt 地区提供取暖用热。电池设计电效率为50% , 热效率25% , 总能量效率为75% , 热、电总功率为165kW [ 25 ]。日本国家电化学技术实验室, 日本电力发展公司和三菱重工也从事管式SO FC 的研制工作, 目前这几家公司的SO FC 功率也分别达到千瓦级规模(见表1)。　　从事平板式SO FC 研制的有德国Siem en s 公司、日本富士公司, 澳大利亚陶瓷燃料电池有限公司(CFCL ) 及丹麦的R isO 国家实验室。德国Siem en s 公司虽然起步较晚(90 年代初开始) , 但进展非常迅速。Siem en s 公司研制的平板式SO FC 电池功率已超过10kW , 居世界领先地位[ 9 ]。据最新报道, Siem en s 公司的SO FC 电池功率已达到20 kW。Siem en s 公司首先很好地解决了YSZ 电解质薄板, 阴、阳极制备, 并研制出性能优异的耐高温双极连接板合金以及高温无机密封等关键材料, 使大规模组装平板SO FC 成为可能。同时通过优化电极制备工艺, 改善电极2固体电解质界面结构, 电极极化性能明显改善, 电池功率密度达到0. 6W ? cm 2, 是目前大功率SO FC 电池所能达到功率密度(0. 2W ? cm 2) 的3 倍[ 9 ]。丹麦的第4 期江　义等　高温固体氧化物燃料电池(SO FC) 进展·393·?
Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表1　国际上SOFC 燃料电池发展现状公　　司电池结构现在规模未来规模W estinghouse 管式25kW , 0. 2W ? cm2 100kWCeramatec. Inc. CPnR 1. 4kW , 0. 18W ? cm2Zteck Co. 平板式1. 0kW 25kWSiemens A G 平板式10. 8kW , 0. 6W ? cm2 100kWCFCL , A ustralia 平板式310W , ～ 0. 2W ? cm2 几kWR isO N ational L ab 平板式几W , 0. 15W ? cm2 在建1kWN ational Electro tech. L ab 管式1. 2kW 10kWFuji Electric 平板式2～ 5kW 在建Sanyo Electric 平板式159W , ～ 0. 23W ? cm2 几kWChuhu Electric Inc.M itsubish i HeavyMOLB　1. 32kW , 0. 236W ? cm2　5kW　Electric Power Develop. Co L tdM itsubish i Heavy管式　10kW　正计划筹建几MW　　CPnR= design consists of stack s and fuel p rocesso r (电池和燃料处理一体化设计)MOLB= mono block layer built (块状结构设计)R isO 国家实验室[ 26 ]和澳大利亚的CFCL 公司[ 27 ]分别从80 年代末和90 年代初开始投巨资发展平板式SO FC, 进展相当迅速, 它们自己解决和部分采用了Siem en s 公司的平板式SO FC 的关键技术, 正在研制千瓦级的SO FC 电池。从发展来看, 由于平板式SO FC 具有诸多优点, 将成为固体氧化物电池发展的主流。我国的SO FC 研究工作正处于起步阶段, 目前有中科院大连化学物理研究所、化工冶金研究所、上海硅酸盐研究所, 华南理工大学, 吉林大学等单位开展SO FC 的R&D 工作。中科院化工冶金研究所和俄罗斯合作开展SO FC 电池堆和整机系统方面的工作; 上海硅酸盐研究所和吉林大学分别在氧化物电解质、稀土掺杂的电极材料制备方面做了大量工作; 华南理工大学在单电池制备方面开展了一些工作; 大连化学物理研究所从1991 年起开展SO FC的研究工作[ 28～ 30 ] , 目前已掌握SO FC 的N i2YSZ 阳极和L SM 阴极的制备方法和工艺, 基本解决了高温无机密封技术难题, 组装出管式和平板式SO FC 电池。平板式SO FC 电池的功率密度达到0. 1W ? cm 2 [ 31 ] , 接近国际水平。六、SOFC 的长远发展目标国际上, SO FC 的现状是一方面在发展大规模的SO FC 系统, 加快商业化进程, 同时积极开展中温SO FC 电池(800～ 850℃) 的研究。现在, 大多数以YSZ 为电解质的SO FC 电池在950～ 1000℃工作, 高的工作温度虽然使YSZ 电阻减小, 电池输出功率增大, 但在电池关键结构材料选择上受到限制。特别是平板式SO FC 电池, 高温对无机密封和双极连接板材料要求更加苛刻。如果将电池工作温度升至800℃左右, 材料稳定性问题就容易解决得多。研制800～ 850℃的中温SO FC 电池, 关键问题是减小800～ 850℃工作温度下固体电解质的电阻。目前主要从两个途径解决这个问题, 一是制备薄膜型的YSZ 固体电解质, 理论分析YSZ 厚度小于35Lm, 在800～ 850℃, 电池功率可达0. 5W ? cm 2 [ 32 ]。澳大利亚CFCL 公司采
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燃料电池的基本原理
燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。
清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。
可靠性和操作性良好，噪声低。
所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。
燃料电池的组成和工作原理
燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。
燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例） （1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：
（2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负 载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为：
（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：
伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 燃料电池中的催化作用
燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面上。
催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得人们可以更好地优选不同的催化剂。
*评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电 导率和经济性。 燃料电池的分类
一、燃料电池的分类 1、按燃料电池的运行机理分。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 2.1碱性燃料电池（AFC）、 2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.3磷酸燃料电池（PAFC）、 2.4熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 、 2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）、 3. 按燃料类型分。 3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池
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ISBN：3上架时间：出版日期：2016 年3月开本：16页码：357版次：1-1-1
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　 适读人群 ：燃料电池相关领域学习和研究人员，高等院校相关专业研究生以及教师，能源再生等原书第1版的出版在国际范围内具有很大的影响力，原书第2版是结合了当今的PEM燃料电池技术进行的改版，影响力继续扩大。本书将理论与实践紧密结合，不仅能用于教学，而且对实际设计和工程具有直接的应用价值。
本书主要介绍了质子交换膜（PEM）燃料电池的原理、设计及实际应用等内容。全书内容共计12章，其中第1章概述了燃料电池的特点及发展历程；第2章和第3章分别介绍了燃料电池的化学、热动力学及电化学的相关内容；第4章分析了燃料电池的主要部件及其特性；第5章和第6章分别讨论了燃料电池的工作条件及其电池组的设计；第7~9章则讲述了电池的建模、故障诊断及系统设计；第10章对燃料电池的应用进行了总结；第11章讨论了燃料电池实际应用中的一个重要问题――电池耐久性；第12章则对燃料电池的未来进行了展望。书中很多章的末尾还辅以问题和测验，有助于读者掌握各章相关内容。
作者:(美)弗朗诺?巴尔伯 译者:李东红 译者:连晓峰
译者序原书序原书第2版前言原书第1版前言和致谢第1章绪论1.1什么是燃料电池1.2燃料电池简史1.3燃料电池的类型1.4PEM燃料电池如何工作1.5为何需要燃料电池1.6燃料电池的应用参考文献第2章燃料电池化学和热力学基础2.1基本反应2.2反应热2.3氢的高热值和低热值2.4理论电功2.5燃料电池的理论电势2.6温度效应2.7燃料电池的理论效率2.8卡诺效率的神话2.9压力效应2.10小结问题测验参考文献第3章燃料电池的电化学3.1电极反应动力学3.1.1反应速率3.1.2反应常数:转移系数3.1.3电流与电位的关系：巴特勒沃尔默方程3.1.4交换电流密度3.2电压损耗3.2.1活化极化3.2.2内部电流和渗透损耗3.2.3电阻（欧姆）损耗3.2.4浓度极化3.3电池电势：极化曲线3.4燃料电池的电势分布3.5极化曲线的参数灵敏度3.5.1转移系数/塔菲尔斜率的影响3.5.2交换电流密度的影响3.5.3氢渗透和内部电流损耗的影响3.5.4内阻的影响3.5.5极限电流密度的影响3.5.6工作压力的影响3.5.7空气与氧气对比3.5.8工作温度的影响3.6燃料电池效率3.7燃料电池极化曲线的含义和用途3.7.1由极化曲线得到的其他曲线3.7.2极化曲线的线性近似3.7.3利用极化曲线改变燃料电池的尺寸问题测验参考文献第4章电池主要部件、材料特性和过程4.1电池描述4.2膜4.2.1吸水性4.2.2物理特性4.2.3质子电导率4.2.4水传输4.2.5气体渗透4.2.6高温膜4.3电极4.4气体扩散层4.4.1处理和涂层4.4.2孔隙度4.4.3电导率4.4.4可压缩性4.4.5渗透性4.5双极板4.5.1材料4.5.2特性问题测验参考文献第5章燃料电池的工作条件5.1工作压力5.2工作温度5.3反应物流量5.4反应物湿度5.5燃料电池的质量平衡5.5.1入口流量5.5.2出口流量5.6燃料电池的能量平衡问题测验参考文献第6章电池组设计6.1燃料电池组的尺寸6.2电池组结构6.3反应物对各电池单元均匀分布6.4反应物在电池单元内部均匀分布6.4.1流场形状6.4.2流场朝向6.4.3通道结构6.4.4通道形状、尺寸和间距6.4.5流场压降6.5燃料电池组散热6.5.1电池组的热平衡6.5.2热传导6.5.3主动散热6.5.4通过自然对流和辐射的电池组散热6.5.5电池组冷却的备选方法6.6电池组夹紧结构问题测验参考文献第7章燃料电池建模7.1理论和控制方程7.1.1质量守恒7.1.2动量守恒7.1.3能量守恒7.1.4组分守恒7.1.5电荷守恒7.2建模域7.3建模示例7.3.1通过膜的一维模型7.3.2一维催化剂层模型7.3.3二维通道上方模型7.3.4沿通道的二维模型7.3.5三维模型7.3.6通过气体扩散层模型/孔隙网络模型7.4小结问题测验参考文献第8章燃料电池故障诊断8.1电化学技术8.1.1极化曲线8.1.2电流中断8.1.3电化学阻抗光谱学8.1.4其他电化学方法8.2物理和化学方法8.2.1组分分布映射8.2.2温度分布8.2.3电流分布映射8.3小结问题测验参考文献第9章燃料电池系统设计9.1氢/氧系统9.1.1氧供应9.1.2氢供应9.1.3水/热处理：系统集成9.2氢/空气系统9.2.1空气供应9.2.2被动式空气供应9.2.3氢供应9.2.4增湿方案9.2.5水/热处理：系统集成9.3具有燃料处理器的燃料电池系统9.3.1基本过程和反应9.3.2蒸汽重组9.3.3部分氧化和自热重组9.3.4重组对燃料电池性能的影响9.3.5系统集成9.4电气子系统9.5系统效率问题测验参考文献第10章燃料电池的应用10.1交通运输应用10.1.1汽车10.1.2公共汽车10.1.3多用途汽车10.1.4摩托车和自行车10.2固定电源10.2.1固定式燃料电池系统的分类10.2.2系统结构10.2.3整个燃料电池系统的效率10.2.4燃料电池系统的经济性10.3备用电源10.4用于小型便携式电源的燃料电池10.5可再生燃料电池及其应用10.5.1折中设计10.5.2可再生燃料电池的应用问题测验参考文献第11章聚合物电解质燃料电池的耐久性11.1简介11.2本章主要内容与组织结构11.3性能损失的类型11.3.1极化变化曲线的关键极限情况11.3.2实际极化变化曲线分析11.4与不同类型的损失有关的PEFC组件11.4.1催化活性损失11.4.2欧姆损失11.4.3反应物质量传输损失11.4.4向外泄漏、反应物渗透和电气短路11.5工作条件11.5.1电势需求11.5.2温度11.5.3电解质和湿度11.6加速测试方法11.7小结和未来展望致谢参考文献第12章未来的燃料电池和氢12.1简介12.2氢燃料简史12.3氢能源技术12.3.1制氢技术12.3.2储氢技术12.3.3运输和分配技术12.3.4氢能利用技术12.3.5氢作为燃料的安全性12.4目前的全球能源系统是否可持续12.5未来预测12.6未来可持续能源系统12.7氢过渡或“负氢经济”12.8未来能源革命12.9小结参考文献
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