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燃料電池材料研究進展(編輯修改稿)

2026-06-16 10:55 本頁面

　

【文章內容簡介】 FC產生的能量中仍有 40％ ? 50％是以熱能形式散出的，當電池正常工作時仍需采取適當措施對電池進行冷卻。目前比較普遍的冷卻方法有兩種：空冷和水冷。在小電流密度條件下，采用空冷可取得較滿意的結果，然而在大功率密度工作時，由于 PEMFC與周圍環境的溫差較小，此時必須采用水冷。當采用水冷進行散熱時，逆向 (相對于反應氣體流動方向 )熱交換的效果明顯好于正向熱交換和自然對流熱交換的效果。 PEMFC 發展中需要解決的問題目前， PEMFC 在技術上已成熟，但價格問題是其推廣應用的主要障礙之一。世界各國已開發出的商業化應用的質子交換膜燃料電池都存在著成本高的問題，PEMFC 的國外商業價格約為 1 500 美元 / kW，國內的價格約為 10 000 元 / kW。 PEMFC 本身的結構并不復雜，主要是構成 PEMFC 的一些材料和制造成本還比較高及燃料氫的問題。主要有以下幾方面：質子交換膜是 PEMFC 的核心部件，研究具有高性能、高選擇性的質子交換膜一直是 PEMFC 重要的一項技術。膜制造中要用到貴重金屬 Pt ，經過從 80 年代初到現在 20年的發展， Pt 的使用量已從原來的 6 mg/cm2 降低到 mg/cm2 ，而電性能反而由 400 mA/cm2 提高到 1300 mA/cm2 ，并進一步向 mg/cm2 甚至 mg/cm2 的級別發展，性價比越來越高。目前美國杜邦公司是世界上最主要和水平最高的質子交換膜制造商。 a. 膜問題 PEMFC 要解決的另一關鍵問題在于大幅度降低雙極板成本、減少其體積和減輕重量上，這對 PEMFC的商業化有突出的重要意義。在 PEMFC 中 , 雙極板占據了電池組大半的體積與重量，雙極板不僅是將單個 PEMFC 串聯起來組裝成電池堆的關鍵部件，而且還擔負將燃料反應氣導入燃料電池并傳導電流的功能，因此雙極板質量將直接決定燃料電池堆輸出功率的大小和使用壽命的長短。 b. 雙極板問題三、固體氧化物燃料電池 (SOFC) SOFC具有能量轉換效率高、環境友好 (即很低的 NOx，SO2，粉塵和噪聲排放 )、燃料適用性強和無腐蝕等突出優點，是一種最有前途的高效、潔凈發電技術之一，近年來受到國內外有關方面的極大關注。特別是從 20世紀 80年代以來，材料科學的迅速發展使其研究開發工作更加令人矚目。 SOFC的工作原理如下圖所示。在陰極 (空氣電極 )上 ,氧分子得到電子被還原成氧離子 : O2 + 4e ? 2O2 (1) 氧離子在電場作用下 ,通過電解質中的氧空位遷移到陽極(燃料電極 )上與燃料 (H CO 或 CH4) 進行氧化反應 : 2O2 + 2H2 ? 2H2O + 4e (2) 4O2 + CH4 ? 2H2O + CO2 + 8e (3) O2 + CO ? CO2 + 2e (4) 電池總的反應方程式為 : 2H2 + O2 ? 2H2O (5) CH4 + 2O2 ? 2H2O + CO2 (6) 2CO + O2 ? 2CO2 (7) 固體氧化物燃料電池的特點 SOFC 是在高溫下運行的，具有以下特點 : （ 1）燃料轉換率高，附產有工業價值的高溫廢氣，可以實現熱電聯產，不考慮余熱回收可達 60﹪ 以上，若考慮余熱的回收利用，整個系統的效率可高達 80﹪ 以上。（ 2）較高的電流密度和功率密度，可達 1MW/m3，對塊狀設計有可能達到 3MW/m3。（ 3）如果以純氫為燃料可以防止 CO2 的排放，若使用化石燃料可以降低 50﹪ 的排放量，污染物和溫室氣體的排放量顯著減少，可以減少酸雨與霧的形成和廢氣的排放量。（ 4）燃料選擇性強，可直接使用 H天然氣、煤氣、生物氣及甲醇等作為燃料，且不必使用 Pt 貴金屬作催化劑。（ 5）陽、陰極的極化可忽略，極化損失集中在電解質阻力降。（ 6）全固態元件，無腐蝕漏液。 SOFC是全陶瓷結構，包括 : 固體電解質材料陰極材料陽極材料連接材料 SOFC 的結構固體氧化物燃料電池的關鍵技術之一是 SOFC 的結構設計，要求結構緊湊，且緊密性相當高，電池組必須有足夠的機械強度，成本和使用價格要求適中。當前 SOFC 的結構設計有 : ① 管狀 SOFC； ②平板狀 SOFC； ③整體式 SOFC； ④分段式 SOFC。從實用性來說， SOFC 單元結構的組件形式主要采用管狀設計和平板狀設計。 SOFC 要求固體電解質材料除了具有高氧離子電導率和低電子遷移數 (te?)外，尚需有在高溫以及氧化、還原氣氛中的穩定性；與電極材料的化學相容性和熱膨脹匹配性，足夠的機械強度，穩定的形狀、尺寸，適中的價格等。 1. 電解質材料釔穩定的二氧化鋯 (YSZ)是目前 SOFC系統主要使用的電解質材料， Y203穩定 ZrO2的關系式可用下式表示：在此過程中， Y替代 Zr4+晶格位置，同時產生氧空位，氧離子通過這些氧空位實現其離子導電。 Y203摻入量為 8％ ?10％ (摩爾分數 )時，導電性能最好。穩定化的 ZrO2電解

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