新能源材料第4-6讲
新能源材料与器件概论 教学大纲
新能源材料与器件概论一、课程说明课程编号：050302X10课程名称：新能源材料与器件概论/The Introduction of New Energy Materials and Devices课程类别：专业教育课程学时/学分：32学时/2学分先修课程：大学物理、无机化学适用专业：新能源材料与器件教材、教学参考书：1.陈军主编.新能源材料.北京：化学工业出版社.2003 年；2.托马斯B.雷迪(Thomas B.Reddy) (编者). 汪继强(译）.电池手册. 北京：化学工业出版社.2013年；3.李景虹编著.先进电池材料. 北京：化学工业出版社.2004年；4.朱继平主编.新能源材料技术. 北京：化学工业出版社第1版.2015年；5.陆天虹主编.能源电化学. 北京：化学工业出版社.2014年；6.义夫正树主编.锂离子电池:科学与技术. 北京：化学工业出版社.2015年。
二、课程设置的目的意义新能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源材料与器件是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键能源和材料是社会发展的物质基础。
新能源、新材料已列入国家战略性新兴产业。
新能源开发和有效利用的关键之一是与其相应的材料及器件。
新能源材料与器件涉及到材料、物理、化学、电子、机械等多学科交叉等相对复杂的高技术，这方面的高技术人才相对缺乏。
《新能源材料与器件导论》是一门理论和实践性都较强的课程。
通过该课程的学习，使学生能够系统的掌握新能源（二次电池、热能、氢能、太阳能、燃料电池等）材料及器件基本理论、基本知识和工程技术技能，掌握新能源材料组成、结构、性能的测试技术与分析方法及各种新材料在能源转换中的应用，存在的问题，了解新能源材料科学的发展方向。
三、课程的基本要求知识要求：通过本课程的学习, 使学生们学习和掌握目前新能源的种类及其能量利用形式, 学习和掌握各种新能源利用过程中所涉及的能量转换过程，学习和掌握新能源利用中的关键材料及其器件制造方法。
化工新材料教案第一章课件
结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承受 载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、 天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成 为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、 陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不 同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材 料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。
讲授内容
第一讲 化工新材料概论 第二讲 有机硅材料 第三讲 涂料与胶粘剂 第四讲 复合材料概论 第五讲 合成高分子 第六讲 功能材料概论 第七讲 储氢材料和磁性材料 第八讲 功能玻璃材料 第九讲 陶瓷材料 第十讲 智能材料 第十一讲 高分子膜与膜分离技术 第十二讲 纳米材料与纳米技术
课程要求
教材
本科程属专业限选课程
（5）生态环境材料
生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意 义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是国 内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。一般认为生态环境 材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的 材料。
这类材料的特点是消耗的资源和能源少，对生态和环境污 染小，再生利用率高，而且从材料制造、使用、废弃直到再生 循环利用的整个寿命过程，都与生态环境相协调。主要包括： 环境相容材料，如纯天然材料（木材、石材等）、仿生物材料 （人工骨、人工器脏等）、绿色包装材料（绿色包装袋、包装 容器）、生态建材（无毒装饰材料等）；环境降解材料（生物 降解塑料等）；环境工程材料，如环境修复材料、环境净化材 料（分子筛、离子筛材料）、环境替代材料（无磷洗衣粉助剂） 等。
（11）先进陶瓷材料
先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无机化合物 为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品。根 据工程技术对产品使用性能的要求，制造的产品可以分别具 有压电、铁电、导电、半导体、磁性等或具有高强、高韧、 高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热或良好生物相 容性等优异性能。
新能源材料制备与加工技术
源
西安交通大学
》
李长久教制构与授材《P备、机Srto与性制新r料pu西e加能、c能rt科ut安工 相（i源ree学s交、 使 互s材成 用 关通与料分 性 系大制工、能西学备组）程安与织的交材C加结控Po通rm 料制o工大cp制eo技s学ss备i术tinio与gns加工技术》
源
西安交通大学
》
李长久教授
源
西安交通大学
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李长久教授 《C新C将Be制西elaSF能能lltluo造新与t（安ele量a源lrr换能电ycB交以ce（材el能源a池ll通化：l电t：料器材）t燃学大e将池制件料：r料西能太学）y与的备的能的阳的安：化储制量与直形区交能学能备材转接加式量通能别器与能料换工存直存大转件加器制贮技接储换学相工件备转供术为器关成或换与使电件技形为装能用加或电术置工装能置技术》
料 通 工 其影响规律、提高转换效率的基本途径； 源材 交 与加 太阳电池的种类与制造工艺及其特点； 能 安 备 燃料电池的原理、特点、开发现状与应用前景。 新 西 制 二次电池及其相关材料技术 《 材料 材料制备、加工与制造器件一体化的特征
源
西安交通大学
》
李长久教授
学 技术 主要参考书 大 工 1.（美）胡晨明，R.M. 还特著，（李采华译），太阳电
源材 交通 与加 Gas turbine simple Cycle
《新能 西安 材料制备 Power output, MW
源
西安交通大学
》
李长久教授
学 术 4. 矿物（化石）燃料使用造成的 大 工技 环境污染问题 交通 与加 》 燃烧排放物：
安 备 术 SO2、Nox、CO、CO2、烟尘等 西 制 学 技 危害作用
新能源科学与工程专业“材料科学基础”课程教学改革实践与创新
2021年第6期广东化工第48卷总第440期 · 199 ·新能源科学与工程专业“材料科学基础”课程教学改革实践与创新谷肄静(贵州大学材料与冶金学院，贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州贵阳550025) [摘要]本文针对新能源科学与工程专业的《材料科学基础》这一门专业必修课，提出了一些在教学工作中的探索性的实施措施以及在教学改革中得到的一些实践总结。
由于新能源科学与工程专业是新兴专业，因此本文以加强学生实践能力为出发点，结合多种教学方法，以提高学生学习兴趣和提升学生专业素质为目的，着重讨论了新能源材料领域的教学模式的改革实践与创新。
[关键词]材料科学基础；教学实践；教学改革[中图分类号]G4 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)06-0199-01The Teaching Reformation and Innovation of Essentials of Materials Science and Engineering in New Energy Science and EngineeringGu Yijing(Guizhou Province Key Laboratory of Metallurgical Engineering and Process Energy Saving, College of Materials and Metallurgy, GuizhouUniversity, South Hua-Xi Street, Guiyang 550025, China)Abstract: This paper is focused on the essentials of materials science and engineering, which is one compulsory course of new energy science and engineering. It is mentioned that some exploring implementary strategies and practical summary during the teaching procedure. New energy science and engineering is a novel major, so this paper is concentrated on enhancing students’ practical abilities and combined with a multitude of teaching measures to elevate students’ learning attraction and academic qualities. It is vital to discuss the teaching reformation and innovation in the field of New Energy Science and Engineering.Keywords: essentials of materials science and engineering；teaching reformation；teaching innovation材料科学基础是新能源科学与工程专业的一门必修课程，是一门研究材料基本成分、微观结构、各种物理性能和化学性能及其应用的严密的基础科学，也是材料相关专业、新能源相关专业的理论基础课程。
第二章-新能源材料--生物质能材料
生物质能化学转换技术：气化
同时，有一部分碳，由于氧气（空气）的供应 量不足，便生成一氧化碳，放出一部分热量。
2C + O2 2CO 在此层中主要是产生二氧化碳，一氧化碳的生 成量不多，水分也很少分解。 2）还原层 此时没有氧气存在，二氧化碳和水 蒸汽被还原成一氧化碳和氢气，进行吸热反应，
生物质能化学转换技术：气化
生物质能化学转换技术：气化
发生炉工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下 通过的空气而全部燃烧。在炉栅上形成灰渣。空气 经过灰渣层略为加热后，进入燃烧层（氧化层）， 这里氧气与碳反应，生产二氧化碳，也有一小部分 一氧化碳。氧化层上方是还原层，在这里，由于遇 到炽热的燃料，二氧化碳被还原成一氧化碳，水被 还原成氢气。炽热的气体再向上走把燃料中的挥发
理论上讲，气化和燃烧都是有机物与氧反应， 但燃烧的主要产物是二氧化碳和水，并放出大量的 热，所以燃烧是将原料的化学能转换成热能；气化 反应放出的热量要少得多，气化主要是将化学能的 载体由固体变为气体，气化后的气体燃烧时再释放
生物质能化学转换技术：气化
出大量的热量。 使用中，气态燃料比固态燃料具有许多优良性能：
燃料的工业分析： 燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳
燃料的工业分析：
燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳
水分： 挥发分：实验中将煤样在隔绝空气条件下高温（900.C） 加热，从煤中有机质分解出来的液体和气体的总量中减去 水分，就得出挥发分。 灰分：灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣。这些残渣几 乎全部来自煤中的矿物质。 固定碳：是指除去水分、灰分、挥发分后的残留物，从 100%减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即为煤的 固定碳含量。固定碳的化学组分，主要是为碳元素，另外 还有一定数量的氢、氧、氮、硫等其它元素。
- 新能源材料复习
一、名词解释1、二次电池2、薄膜太阳能电池3、燃料电池4、核能5、新能源6、储能技术7、热核反应8、碱性蓄电池9、新能源材料10、生物质能11、地热能二、基本知识1、可再生能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能和水能等.2、相变储能材料的热物性主要包括: 热导率、比热容、热膨胀系数、相变潜热、相变温度。
3、锂离子电池正极材料氧化物类主要有：钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、锰酸锂（LiMn2O4)、钒酸锂（Li3V2O5）、三元氧化物材料等。
4、锂离子电池负极材料主要有：中间相微珠碳(MCMB）、石墨化碳、碳纤维、碳纳米管、金属合金、硅基材料等。
5、硅是目前太阳能电池的主要材料之一,按照其微观结构的不同，用于太阳能电池的硅分为单晶硅、多晶硅和非晶硅.6、黄铜矿基太阳能电池材料主要有：CuInSe2、CuGaSe2、Cu（In，Ga)Se2、CuInS2等。
7、核能利用是人类高效率利用核能,使核燃料在受控条件下发生核反应,按照反应方式可分为：核裂变与核聚变。
8、氢能是对环境无害的绿色能源，获取氢的原料是水，资源丰富，氢使用后产物是纯水或水蒸汽，故此氢是完全可再生的燃料。
氢能源系统的技术关键是氢的制造、储存、运输和利用技术.9、质子交换膜燃料电池（PEMFC)的双极板材料大致可分为碳（石墨）材料、金属材料和复合材料。
10、透明导电薄膜玻璃是在玻璃基底上通过物理或者化学方法制作的透明导电氧化物薄膜，主要包括In2O3, SnO2，ZnO, CdO氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料,例如In2O3:Sn(ITO), ZnO:In(IZO）, ZnO：Ga(GZO），ZnO：Al（AZO).11、镍氢电池的正极材料—球形Ni(OH)2的制备方法主要有三种:化学沉淀结晶法；镍粉高压催化氧化法；金属镍电解沉淀法.12、镍氢电池的负极材料—储氢合金按照组成配比（或晶型）可以分为AB5、AB2、AB、A2B型四种.13、碱性电池的种类：铁镍电池；镉镍电池;镍氢电池；锌银电池。
新能源材料 第三章 燃料电池
严格地讲，燃料电池是电化学能量发
生器，是以化学反应发电；一次电池是电
化学能量生产装置，可一次性将化学能转
变成电能；二次电池是电化学能量的储存
装置，可将化学反应能与电能可逆转换。
3.1.4 燃料电池的工作原理
虽然燃料电池的种类很多并 且不同类型的燃料电池的电极反应 各有不同，但都是由阴极﹑阳极﹑ 电解质这几个基本单元构成，其工 作原理是一致的。
用可再生能源的 闭合循环发电系 统
再生燃料电池(RFC)
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
唯一使用固 再生燃料电池(RFC) 体燃料的燃 料电池 直接碳燃料电池(DCFC)
3.1.6 燃料电池的特性
高效率 优点 可靠性高 良好的环境效应
天然气， 轻质油， 燃 料 甲醇等重 整气 发电效率 45～50 40～45 对CO2 不 启动快； 室温常 敏感；成 优点 压下工 本相对较 作 低
电解 纯氢
表5-2
种类 AFC
五种燃料电池特点
PAFC MCFC SOFC PEMFC 电汽车，潜 艇，可移动 动力源 对CO非常 敏感； 反应物需要 加湿
3.1.6 燃料电池的特性
市场价格昂贵
优点
特 性
高温时寿命及 稳定性不理想 燃料电池技 术不够普及 没有完善的燃 料供应体系
存在 问题
3.1.7 燃料电池的应用
燃料电池可以作为宇宙飞船，人造卫星，宇 宙空间站等航天系统的能源，也可以用于并网发 电的高效电站；它可以作为大型厂矿的独立供电 系统，也可作为城市工业区，繁华商业区，高层 建筑物，边远地区和孤立海岛的小型供电站，此 外，它还能用于大型通信设备和家庭的备用电源 以及交通工具的牵引动力等。
BOPPPS_教学模式在新能源材料与器件教学中的应用与实践
DOI ：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.07.079BOPPPS 教学模式在新能源材料与器件教学中的应用与实践*徐妙 童锐 李建湖北汽车工业学院数理与光电工程学院 湖北十堰 442002*基金项目：2021年湖北省科技厅青年自然科学基金“金属碳化物修饰磷掺杂石墨相氮化碳光催化分解水产氢性能研究”（项目编号：2021CFB257）；2022年湖北汽车工业学院研究生教育教学改革研究项目“基于自我效能感理论提高研究生就业质量的方法与途径研究”（课题编号：Y202213）；2023年度湖北汽车工业学院教学研究与改革项目（创新创业教育专项）“基于本科生导师制的创新创业教育模式研究”（课题编号：SCJY202309）；2022年湖北汽车工业学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室开放基金项目“氢燃料电池高性能CoFe@Co/Fe-N-C 催化剂制备及其性能研究”（课题编号：ZDK1202201）。
作者简介：徐妙，实验师；童锐，副教授；李建，教授。
摘 要 通过引入BOPPPS 教学模式，基于BOPPPS 教学模式的六个环节进行关于新能源材料与器件课程部分内容的教学设计，并依托雨课堂开展教学活动，旨在增强教学互动、提升大学生的课堂参与度及主动学习能力，为新能源材料与器件课程本科教学提供参考。
关键词 BOPPPS；教学模式；新能源材料与器件中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2024)07-0079-041 新能源材料与器件课程概述新能源材料与器件是一门新兴交叉学科，因为材料科学、电化学、物理化学、科学发展史等学科的迅猛发展，伴随着经济的快速发展，新能源材料与器件学科应运而生。
新能源材料与器件是材料学的重要分支，通过一定的工学和理学背景，使本科学生了解知悉更多的先进功能材料与器件。
目前，新能源材料与器件课程是培养新能源领 域专业人才高质量发展的必备专业课程，也是新兴专业“新能源材料与器件”的专业核心课程。
碳材料科学ppt课件
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重20 %）； 2、期末试卷考试（权重70% ）。
32
第二代 炭材料
★ 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐 蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼 铝等（电极、电刷、各种机械、化工用 炭、原子反应堆用炭等）
33
第三代 炭材料
以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构 和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展 时期，也是炭科学形成的时期
34
材料
6
Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites
碳的六方有序孔道
7
锂离子二次电池电极材料
电流
正极
隔膜
电子 负极
炭 纤 维
针
状
高导热材料,发泡炭、高级粘
新能源材料本科教学课程思政探索与实践
新能源材料本科教学课程思政探索与实践作者：来源：《高教学刊》2023年第29期摘要：课程思政建设是高校落实立德树人的重要举措。
新能源技术的快速发展促进新能源材料专业的人才培养，在新能源材料类课程授课过程中，工匠精神、科学精神、科技创新等价值引领与专业知识传授同等重要。
该文首先论述新能源材料课程建设背景、涵盖内容及课程思政建设总体思路，然后提出“课程知识点-思政元素”挖掘策略。
针对新能源材料知识点的特点，该文多角度挖掘课程思政元素，建立课程思政素材库，并探究思政元素的融入方法，致力于教学质量的有效提升。
关键词：新能源材料；课程思政；教学改革；课程知识点；课程建设中图分类号：G641 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）29-0069-04Abstract： Curriculum ideological and political construction is a crucial measure to implement morality education and cultivate students in universities. The rapid development of new energy technology has promoted the cultivation of talents in the major of new energy materials. In the teaching processes of new energy materials courses， the value guidance of craftsmanship spirit，scientific spirit， scientific and technological innovation， and other values is as important as the teaching of professional knowledge. This paper first discusses the background， contents， and general idea of the ideological and political construction of the course New Energy Materials， and then puts forward the strategy of exploring ideological and political elements based on curriculum knowledge points. Aiming at the characteristics of the knowledge points of New Energy Materials，this paper explores the ideological and political elements of the course from multiple perspectives，establishes a database of the ideological and political elements of the course， and explores the integration methods of these elements， which would contribute to the effective improvement of teaching quality.Keywords： New Energy Materials; curriculum ideological and political education; teaching reform; curriculum knowledge points; curriculum construction基金项目：重庆大学本科教学改革研究项目“新工科背景下《新能源材料》的‘三维一体’教学探索与实践”（2021Y18）；重庆市高等教育教学改革研究项目“基于STEM教育理念的混合式智能教学模式探索与实践”（222009）；重庆市高等教育学会项目“《新能源材料与器件》课程O2O智慧教学模式构建”（CQGJ21A001）；重庆大学研究生教育教学改革研究项目“新工科背景下新能源材料类研究生多方位协同培养模式的探索与实践”（cquyjg21337）；重庆大学本科教学改革研究项目“国际联合办学本科生全英文课程建设与持续改进机制”（2021Y20）第一作者简介：韩广（1985-），男，汉族，山东淄博人，博士，研究员，硕士研究生导师，博士研究生导师。
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美国还开发了再生氢氧燃料电池(RFC)拟作为高效储能电池用于空 间站和太空开发，以替代二次化学电源。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ燃料电池材料
4.2.2 磷酸型燃料电池
磷酸型燃料电池(PAFC)利用天然气重整气体为燃料， 空气做氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质， Pt/t为电催化剂，产生的直流电经直交变换以交流形式工 给用户。日本东京4500kW的PAFC电厂已经成功运行， PAFC是高度可靠电源，可作为医院、计算机站的不间断电 源。由于PAFC热电效率仅有40％左右，利用价值低，启 动时间长，不适于作移动动力源，因此，近年来国际上对 它的研究工作减少，寄希望于批量生产，降低售价。
燃料电池材料
第四章 燃料电池现状与未来
4.1 概述 4.2 几种燃料电池的研究现状 4.3 前景与挑战
燃料电池材料
4.1 概述
燃料电池(FC)是一种在等温下直接将储存在
燃料和氧化剂中的化学能高效(50%~70%)而与 环境友好地转化为电能的装置。其发电原理与 化学电源一样，是由电极提供电子转移场所。 阳极进行燃料(如氢)的氧化过程，阴极进行氧化 剂(如氧等)的还原过程。
燃料电池材料
燃料电池材料
5.3.4 电池组与性能
我国以研制出输出功率为 1kW～1.5kW的质子交换膜型燃 料电池组。该电池组的主要特点 是：工作温度无需严格控制，可 在室温至90摄氏度间正常工作； 室温启动性能良好，电池无需预 热升温；电池双极板采用薄金属 板。
燃料电池材料
燃料电池材料
燃料电池材料
燃料电池材料
4.2 几种燃料电池的研究现状
4.2.1 碱性氢氧电池（AFC）
4.2.2 磷酸型燃料电池（PAFC）
4.2.3 质子交换膜型燃料电池（PEMFC）
4.2.4 熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）
4.2.5 固体氧化物燃料电池（SOFC）
燃料电池材料
4.2.1 碱性氢氧燃料电池
由于碱性氢氧燃料电池(AFC)技术的高度发展，该电池已成功应用 于航天飞行中；
燃料电池材料
燃料电池材料
（2）特点与用途
燃料电池材料
5.2 质子交换膜型燃料电池材料
5.2.1 电催化剂
5.2.2 多孔气体扩散电极及制备工艺
5.2.3 质子交换膜
5.2.4 双极板材料与流场
燃料电池材料
5.2.1 电催化剂
（1）电催化
电催化是使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加 速的催化作用，可视为复相催化的一个分支。其重要特点 是电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双电 层内电场及电解质溶液的本性有关。
易出现反应气互串；
燃料电池材料
燃料电池材料
燃料电池材料
5.3.2 电池组内增湿技术
目前电池组系统均采用内增湿， 即在电池组内加入增湿段，在此阶 段完成反应气的增湿。 内增湿是靠膜的阻气特性与水在 膜内的浓度差扩散引起的。示意图 如右；
燃料电池材料
5.3.3 电池组排热技术
为确保电池各部分工作温度均匀，尤其是大电流密度下 防止电池局部过热，采用最多的排热技术是在电池组内设 置带排热腔的双极板，也就是排热板。 我国的专利曾提出一种利用蒸发排热排出电池组内废热 的方法。
燃料电池材料
4.2.4
熔融碳酸盐型燃料电池
熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)的工作温度在650～700,以浸有 (K、Li)CO3的LiAlO2隔膜为电解质。电催化剂无需使用贵金属，以雷尼 镍和氧化镍为主，可用净化煤气或天然气为燃料。
美国从事MCFC研究的有国际燃料电池公司(IFC)、煤气技术研究所(IGT)和能 量研究公司(ERC),1995年ERC公司在加州建立了2MW试验电厂； 1994年，日本分别由日立和石川岛播重工业完成两个100kW、电极面积1平 方米的加压外重整MCFC； 在西欧，德国MTU宣布在解决MCFC性能衰减和电解质迁移方面取得重大突 破；该公司开发的至今世界上最大的280kW单组电池正在运行； 我国从1993年开始进行MCFC的研究，其研究领域包括：LiAlO2粉料的制备 方法， LiAlO2隔膜的制备、以烧结Ni为电极组装了28cm2、110cm2单池，对 单池电性能进行了全面测试。
60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行； 1983年，加拿大国防部资助Ballard公司发展PEMFC，至今已取得突破性进展； 我国从1995年开始利用AFC技术积累全面开展了PEMFC研究； 我国在70年代研究过以聚苯乙烯磺酸膜为电解质PEMFC，90年代初开展了PEMFC 跟踪研究，在Pt/C电催化剂制备、表征与解析方面进行了广泛的工作。
美国已成功将Bacon型AFC用于阿波罗(Apollo)登月飞行计划； 德国西门子公司开发了100kWAFC并在艇上试验，作为不依赖空气的
动力源已并获成功；
我国早在60年代末就进行了AFC研究，70年代经历了研制FC的高潮， 已成功研制两种石棉膜型、晶态排水的AFC；
我国在70年代曾组装了10kW、20kW以NH3分解气为燃料的电池组，
燃料电池材料
5.2.3 质子交换膜
5.2.3.1 全氟磺酸型质子交换膜
1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换 膜，1966年首次用于氢氧燃料电池。 制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯原料合 成全氟磺酰烯醚单体，该单体再与聚四氟乙烯聚合制备全 氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜。该高分子化学式如下：
PEMFC电池组的密封技术主要有两类，一是单密封 (加拿大Ballard公司专利)；另一就是双密封(我国申报 的专利)。
单密封 双密封 质子交换膜利用率高，可达 90％～95％；
优点 质子交换膜在电池中能起到较
好的分隔氢氧气的作用，密封 相对易于实现；
面积大；
缺点 膜的有效利用率低，电池工作 MEA的周边密封如控制不好，容
4.3 前景与挑战
我国研制的航天用AFC与美国同类型Shuttle用AFC相比差距还很大，为 适应我国宇航事业发展，需改进电催化剂与电极结构，提高电极活性 等； RFC是在空间站用的高效储能电池，随着宇航事业和太空开发的进展， 尤其需要大功率的储能电池，会展现出它的优越性。 高比功率和比能量、室温下能快速启动的PEMFC作为电动车动力源时， 动力性能可与汽油、柴油发动机相比，而且是与环境友好的动力源； 我国应利用丰富的稀土资源，在MCFC电池材料方面取得突破； 对于SOFC，应主攻中温(800~850)SOFC电池，以减缓SOFC对材料的 需求，其途径之一是制备薄而致密的YSZ膜，另一就是探索新型中温 固体电解质，加速SOFC发展。
燃料电池材料
燃料电池材料
5.2.3.2 膜电极三合一组件的制备
在全氟磺酸树脂玻璃化温度下对膜、电极三合一施以 一定的压力，将已加入的全氟磺酸树脂的氢电池、隔膜和 已加入全氟磺酸树脂的氧电极压合在一起，形成膜电极三 合一组件，或称MEA组件。
燃料电池材料
MEA制备工艺如下：
（1）膜的预处理； （2）将制备好的多孔气体扩散型氢氧电极浸入或喷上 全氟磺酸树脂溶液，一般控制全氟磺酸树脂的担载量为 0.6mg/cm2～1.2mg/cm2，温度控制在60～80摄氏度烘干； （3）在质子交换膜两面放好氢、氧多孔气体扩散电极、 置于两块不锈钢平板之间，放入热压机中； （4）在130～135摄氏度，压力6MPa～9MPa下热压 60s～90s，取出，冷却降温。
采用化学方法制备Pt/C电催化剂的原料一般用铂氯酸，制备路线分
两大类：一是先将铂氯酸转换为铂的络合物，再由络合物制备高分散 Pt/C电催化剂；另一就是直接从铂氯酸出发，用特定方法制备高分散 的Pt/C电催化剂。为提高电催化剂的活性与稳定性，有时加入一定量 的过渡金属，制成合金型(共溶体或晶间化合物)电催化剂。
燃料电池材料
电化学反应必须在适宜的电解质溶液中进行，在电
极与电解质的界面上必然会吸附大量的溶剂分子和电
解质，因而使电极过程与溶剂及电解质本性的关系极 为密切。这一点不但导致电极过程比复相催化反应更 为复杂，而且在电极过程的动力学的研究中，复相催 化研究行之有效的研究工具的使用也受到限制。近年
来发展了一些研究电极过程较为有效的方法，比如电
第六章 熔融碳酸盐燃料电池材料
6.1 熔融碳酸盐燃料电池简介
位扫描技术、旋转园盘电极技术和测试在电化反应过 程中电极表面状态的光学方法等。
燃料电池材料
（2）电催化的制备
至今，PEMFC所用的催化剂均以Pt为主，所选碳单体以碳黑或乙炔 黑为主，有时要经过高温处理，增强石墨特性。最常用的单体为 Vulcan XC-72R碳(平均粒径30nm，比表面积约250m2/g).
燃料电池材料
4.2.3 质子交换膜型燃料电池
质子交换膜型燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以 Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化 剂。特别适合作移动动力源，是电动汽车和AIP推进潜艇的理想电源之一， 也是军民通用的可移动动力源。
燃料电池材料
5.2.2 多孔气体扩散电极及制备工艺
5.2.2.1 多孔气体扩散电极
燃料电池一般以氢为原料，以氧为氧化剂。由于气体 在溶液中的溶解度很低，在反应点上的反应剂浓度就很低， 为了提高电池实际工作电流密度，减少极化，需要增加反 应的真实表面积，此外还尽可能减少液相传质的边界层厚 度。这就是多孔气体扩散电极的研制目的。它的出现使燃 料电池由原理研究发展到实用阶段。
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三个专利：
（1）Prototech公司1977年申请专利U.S.P.4 044 193，提出 了先制备Pt的亚硫酸根络合物的方法。 （2）Johnson Matthey公司在专利U.S.P.5 068 161中提出了 碳载Pt合金(合金元素以Cr、Mn、Co、Ni为主)的电催化剂 制备方法。 （3）我国申请一专利是以Vulcan XC-72R为载体、铂氯酸为 原料、甲醛为还原剂来制备Pt/C电催化剂的制备方法。