碱性燃料电池

电催化剂是燃料电池的关键组成部分，其性能高低直接决定了燃料电池的工作性能。燃料电池对电催化剂的基本要求为：（1）对电化学反应具有很高的催化活性，能够加速电化学反应的进行；（2）对反应的催化作用具有选择性，即只对反应物转化为目标产物的反应具有催化作用，对其他副反应并无催化作用；（3）具有良好的电子导电性，有利于电化学反应过程中电荷的快速转移，从而降低电池内阻；（4）具有优良的电化学稳定性，从而保证其使用寿命。目前国内外学者已将很多材料用于碱性燃料电池阳极电催化剂，主要包括Pt基、Pd基、Au基及非贵金属催化剂等。

碱性燃料电池阴极主要为氧还原反应（ORR），由于反应中牵涉到 4 个电子的转移步骤，还有 O-O 键的断裂，易出现中间价态粒子，如 HO2-和中间价态含氧物种等问题，因此 AFC 中阴极的氧还原反应是一个很复杂的过程。目前关于 ORR的真实反应途径尚不清楚，研究人员普遍认为主要有以下两种途径：

（i） 直接四电子途径：O₂ 2H₂O 4 e^-→ 4OH^-

（ii） 二电子途径： O₂ H₂O 2e^-→ HO₂^- OH^-

HO₂^- H₂O 2e^- → 3OH^-

从动力学理论上说，碱性体系中的氧还原反应（ORR）速率要比酸性体系中更快一些。正是由于碱性体系中ORR速率较酸性体系更快，使得大量的材料得以用作AFC阴极催化剂，主要包括Pt基、Pd基、Ag基及非贵金属催化剂等。

电动车辆和规模化储能等新能源产业的发展，以及高性能便携式电子设备的进步，迫切需要高效、清洁的电化学储能系统。目前广泛使用的锂离子电池的能量密度已接近理论极限，无法满足对储能系统的迫切要求。因此，全世界都在积极探索下一代的电化学储能系统。

燃料电池（fuel cells，FC）是一种可以将储存在燃料和氧气中的化学能直接转化为电能的电化学储能装置。普通的内燃机由于需要经历热机过程，受卡诺循环的限制，其能量转化率大多低于 15%，燃料电池不受此限制，因而具有很高的能量转化率，一般为 40%~60%，如果将余热充分利用，甚至可以高达 90%。此外，燃料电池在工作时，其反应产物一般只有 H₂O 和CO₂，很少会排放出 NO_x和 SO_x，

因而不会污染环境，是新一代的绿色能源。燃料电池在工作时排出的二氧化碳量，也低于传统火力发电厂的 60%。可见，燃料电池对解决目前全世界所面临的能源安全(Energy Security)和环境保护(Environment Protection)两大难题都具有极其重要的意义。同时，燃料电池由于具有高效、绿色、安全等优点，被认为是 21 世纪的新能源之星。

目前，国内外学者对已研究开发出来的燃料电池，按照电解质的种类进行分类，主要分为 5 种：碱性燃料电池（AFC），一般用 6~8 mol·L^-1的 KOH 溶液作为电解质；磷酸型燃料电池（PAFC），大多以质量分数为 98wt%左右的浓 H₃PO₄溶液为电解质；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），大多将 Li₂CO₃和 K₂CO₃按一定比例混合后作为电解质；质子交换膜燃料电池（PEMFC），通常采用美国 Du Pont 公司生产的 Nafion 膜作为电解质；固体氧化物燃料电池（SOFC），采用 YSZ（Y₂O₃掺杂稳定的 Zr O₂）等作为氧离子导体。

在众多类型的燃料电池中，碱性燃料电池(AFC)技术是最成熟的。从 20 世纪60 年代到 80 年代，国内外学者深入广泛地研究并开发了碱性燃料电池。但是在80 年代以后，由于新的燃料电池技术的出现，例如 PEMFC 使用了更为便捷的固态电解质而且可以有效防止电解液的泄漏，AFC 逐渐褪去了其原有的光彩。但是，通过 PEMFC 和 AFC 之间的对比，不难发现理论上 AFC 的性能要优于 PEMFC，甚至早期的 AFC 系统都可以输出比现有 PEMFC 系统更高的电流密度。成本分析表明：AFC 系统用于混合动力电动车与 PEMFC 相比要更有优势。与 PEMFC 相比，AFC 在阴极动力学和降低欧姆极化方面具有很多优势；碱性体系中的氧还原反应(ORR)动力学比酸性体系中使用 Pt 催化剂的 H2SO4体系和使用 Ag催化剂的HCl O4体系都要更高。同时，碱性体系的弱腐蚀性也确保了 AFC 能够长期工作。AFC 中更快的 ORR 动力学使得非贵金属以及低价金属例如 Ag 和 N i 作为催化剂成为可能，这也使得 AFC 与使用 Pt 催化剂为主的 PEMFC 相比更有竞争力。因此，近年来对碱性燃料电池研究的复苏逐渐凸显出来。

使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（-OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。

负极反应：2H₂ 4OH^- → 4 H₂O 4e^-

正极反应：O₂ 2H₂O 4 e^- → 4OH^-

碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。

如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有二氧化碳，因为二氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。

目前关于碱性体系中催化剂的性能衰减机制尚无相关研究，但是在PEMFC中关于Pt催化剂性能衰减机制方面，国内外学者已经进行了大量研究工作，目前研究人员普遍认为，在PEMFC的工作环境下，Pt催化剂性能衰减的主要原因有：碳载体被腐蚀，导致Pt从载体上脱落；Pt颗粒的溶解-再沉积；Pt颗粒在碳载体表面的团聚。

碱性燃料电池(AFC)是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。磷酸型燃料电池(PAFC)也是第一代燃料电池技术,是目前最为成熟的应用技术,已经进入了商业化应用和批量生产。由于其成本太高,目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛,成为第三代燃料电池。

目前正在开发的商用燃料电池还有质子交换膜燃料电池(PEMFC)。它具有较高的能量效率和能量密度,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠。另外,由于使用的电解质膜为固态,可避免电解质腐蚀。燃料电池技术的研究与开发已取得了重大进展,技术逐渐成熟,并在一定程度上实现了商业化。作为21世纪的高科技产品,燃料电池已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业,受到各国政府的重视。

我国燃料电池研究始于20世纪50年代末,70年代国内的燃料电池研究出现了第一次高峰,主要是国家投资的航天用AFC,如氨/空气燃料电池、肼/空气燃料电池、乙二醇/空气燃料电池等.80年代我国燃料电池研究处于低潮,90年代以来,随着国外燃料电池技术取得了重大进展,在国内又形成了新一轮的燃料电池研究热潮.1996年召开的第59次香山科学会议上专门讨论了“燃料电池的研究现状与未来发展”,鉴于PAFC在国外技术已成熟并进入商品开发阶段,我国重点研究开发PEMFC、MCFC和SOFC.中国科学院将燃料电池技术列为“九五”院重大和特别支持项目,国家科委也相继将燃料电池技术包括DAFC列入“九五”、“十五”攻关、“ 863”、“973”等重大计划之中.燃料电池的开发是一较大的系统工程,“官、产、研”结合是国际上燃料电池研究开发的一个显著特点,也是必由之路.目前,我国政府高度重视,研究单位众多,具有多年的人才储备和科研积累,产业部门的兴趣不断增加,需求迫切,这些都为我国燃料电池的快速发展带来了无限的生机.

另一方面,我国是一个产煤和燃煤大国,煤的总消耗量约占世界的25%左右,造成煤燃料的极大浪费和严重的环境污染.随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,我国汽车的拥有量(包括私人汽车)迅猛增长,致使燃油的汽车越来越成为重要的污染源.所以开发燃料电池这种洁净能源技术就显得极其重要,这也是高效、合理使用资源和保护环境的一个重要途径。

2020年7月10日，著名期刊《科学》刊发中国地质大学（武汉）科研团队学术论文，宣布通过半导体异质界面电子态特性，把质子局限在异质界面，设计和构造了具有低迁移势垒的质子通道。高离子电导率的电解质开发，是解决目前燃料电池应用的关键。中国地质大学（武汉）科研团队的研究如同给质子修建高速公路，即利用半导体异质界面场诱导金属态，助推超质子实现又快又好地‘跑起来’，从而获得优异的电导率。 。

第1章 绪论

第2章 效率和开路电压

第3章 燃料电池工作电压

第4章 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

第5章 碱性燃料电池

第6章 直接甲醇燃料电池(DMFC)

第7章 中高温燃料电池

第8章 燃料电池的燃料供应

第9章 压缩机、涡轮机、喷射器、鼓风机、吹风机和泵

第10章 燃料电池电力传输

第11章 燃料电池系统分析

附录 2100433B