氢能与燃料电池 课件 化工第七章 燃料电池.pptx

第七章 燃料电池7.1 燃料电池概述27.1.1燃料电池的结构燃料电池的原理起源尚班1838年首次提出燃料电池概念威廉?格罗夫爵士1839年首次组装威廉?格罗夫爵士（Sir William Grove 1811—1896）威廉?格罗夫爵士发明的早期燃料电池为了纪念格罗夫爵士，国际氢能协会（IAHE）设立了“威廉·格罗夫爵士”奖（Sir William Grove Award），该奖项专门授予在电化学领域对氢能研究和利用做出突出贡献的组织和个人。世界上第一个简易燃料电池燃料电池的组成2系统核心燃料电池发电系统的组成部件燃料电池发电系统示意图燃料电池的组成2科研院所研究电池关键材料和部件数百节单电池串接工厂、企业研究电池设计构造及性能辅助系统电堆中每个单电池的均一性显得尤为重要，单电池的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。燃料电池系统的构成单电池均一性的控制2材料、部件及结构的均一性常见的电堆均一性问题：操作过程生成水累积引起的不均一电堆边缘效应引起的不均一决定单电池的均一性决定组装、操作因素电堆的均一性提升电堆性能时，单电池均一性的控制是科研人员面临的一大技术难题。影响电堆的性能燃料电池电堆的研究进展2中国科学院大连化学物理研究所自主开发的燃料电池电堆日本丰田Mirai 燃料电池 (a) 3D流场和 (b) 电堆电堆性能：1000 mA/cm2电流密度下，体积比功率达到 2736 W/L，质量比功率达到 2210 W/kg。总体性能与同时期国外水平相当。电堆性能：采用3D流场设计，使流体产生垂直于催化层的分量，强化了传质，降低了传质极化，体积比功率可达 3100 W/L。第七章 燃料电池7.1.2 燃料电池的关键材料和部件2电极膜电极核心组件（Membrane Electrode Assemblies，简称MEA）催化剂催化剂/膜核心组件（Catalyst Coated Membrane，简称CCM）单电池电解质/隔膜（固体电解质叫做隔膜）连接单电池构建燃料电池堆的重要组件双极板7.1.2.1 燃料电池的关键材料——电极2阳极（氧化反应）电极阴极（还原反应）（电化学反应场所）（石墨化的碳纸和碳布应用广泛）电极材料要求：电极具有一定的机械强度；具备高的孔隙率和适合的孔分布；具有高的电子导电性；导热性能好。7.1.2.1 燃料电池的关键材料——催化剂2商用Pt/C催化剂及其微观分散情况2019年全球铂族金属资源分布燃料电池的铂需求量预测年份201720202025单位铂用量g(Pt)/kW1712.510燃料电池出货量（按MW计）402001000总需求量（t）0.682.510催化剂的研究现状及发展方向2铂催化剂的国内外部分研发机构及其性能研发机构产品性能国外日本Tanaka建立了稳定的催化剂供应系统，为本田Clarity燃料电池汽车提供铂催化剂英国Johnson Matthey铂纯度达到99.95%，拥有全世界最先进的催化剂生产技术德国BASF全球最大的化工产品研发企业国内贵研铂业铂纯度99.99%，比表面积28±1.0m2/g武汉喜马拉雅铂催化剂日产能力达到200g，催化剂粒径2-3nm，电化学活性面积达到90m2/g中科中创40wt%，60wt%的铂单批次产能达到200g，催化剂粒径2.8nm，电化学活性面积为85m2/g受铂资源和成本影响，低铂化是燃料电池催化剂的发展方向。催化剂现状：2020年，燃料电池汽车铂催化剂的用量已从 10 年前的1.0 g(Pt)/kW 降至0.2g(Pt)/kW；进一步降低，催化剂中铂载量有望达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平（0.05 g(Pt)/kW）。催化剂的研究现状及发展方向2催化剂性能要求：导电性好比表面积高抗氧化性好稳定性好接触电阻小分散用量小抗甲醇氧化耐酸腐蚀 催化剂 性能要求电催化活性好合适的载体耐CO中毒导电好耐腐蚀7.1.2.1 燃料电池关键材料——电解质2固体电解质（隔膜）电解质液体电解质（分隔燃料与氧化并传导离子）无机多孔膜（微米级厚度）电解质层越薄，离子传导效果越好。根据燃料电池种类和用途不同，电解质材料目前主要有两个方向发展：先以石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内；采用全氟磺酸树脂高分子膜和氧化锆陶瓷膜。质子交换膜的性能要求2质子交换膜要求质子交换膜的分类2质子交换膜的分类级优缺点类型优点缺点组成成分全氟磺酸质子交换膜机械强度高，化学稳定性好，在湿度大的条件下导电率高；低温时电流密度大，质子传导电阻小保水性能较差，温度升高会引起质子传导性变差由全氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成，具有极高的化学稳定性部分氟化质子交换膜可适当降低膜成本电化学性能不如全氟磺酸质子交换膜主链部分含氟，质子