燃料电池材料研究进展图文
燃料电池气体扩散层中碳纸材料研究进展
摘要：质子交换膜燃料电池（P E M F C）是一种高效的无污染装置因而受到广泛关注。
然而，PE M F C仍存在成本高、稳定性差等问题，制约了PEMFC的大规模商业应用。
气体扩散层是PEMFC中的重要组成部分。
针对PEMFC低成本、高性能先进材料的需求，本文综述了气体扩散层基材碳纸、微孔层的改性制备、气液传输和水管理、孔结构的模拟与设计等方面的研究进展，并指出了碳纸基气体扩散层未来的发展方向。
关键词：PEMFC；碳纸改性；气体扩散层；微孔层；水管理Abstract: PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) has attracted wide attention as an efficient and pollution-free device. However, there still exist some problems such as high cost and poor stability, which restrict its large-scale commercial application. Gas diffusion layer is an important part of the cell. In order to meet the demand of low cost and high performance advanced materials for PEMFC, the research progress of carbon paper base material, preparation of microporous layer, gas-liquid transfer and water management, simulation and design of pore structure are reviewed, and the future development direction of carbon paper base gas diffusion layer is pointed out.Key words: PEMFC; carbon paper modification; gas diffusion layer; microporous layer; water management燃料电池气体扩散层中碳纸材料研究进展⊙ 陈逸菲 赵思涵 赵浩轩 郭大亮*（浙江科技学院环境与资源学院，杭州 310023）Research Progress of Carbon Paper Materials in Gas Diffusion Layers of Fuel Cells⊙ Chen Yifei, Zhao Sihan, Zhao Haoxuan, Guo Daliang *(College of Environment and Resources, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou, Zhejiang 310023, China)中图分类号：TS761.2文献标志码：A 文章编号：1007-9211(2023)24-0001-09陈逸菲 女士在读硕士研究生；从事纸基功能材料方面的研究工作。
微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展
檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲殘殘殘殘述评与讨论微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展王鑫1，李楠2，高宁圣洁1，周启星1（1．南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津300071；2．天津大学环境科学与工程学院，天津300072）摘要：微生物燃料电池是绿色废水处理新技术，在处理有机废水的同时实现了电能回收。
近10年来，该技术得到了快速发展，逐步由实验室研究向未来大型化应用的目标前进。
产电微生物附着的阳极是影响电池性能的关键，也是目前该领域研究的热点。
碳基材料成本低、导电性好且无生物毒性，是理想的阳极材料。
分别从二维碳基材料、三维碳基材料、纳米碳材料和碳基材料的预处理等方面介绍了阳极材料研究的最新进展，指出了材料的表面修饰（如表面氧化或连接官能团）和纳米碳材料的应用将成为未来微生物燃料电池阳极材料的研究重点。
关键词：微生物燃料电池；阳极材料；纳米材料；预处理中图分类号：X382文献标识码：B文章编号：1000－4602（2012）22－0005－04Research Progress in Carbon Anode Materials for Microbial Fuel CellsWANG Xin 1，LI Nan 2，GAO Ning-sheng-jie 1，ZHOU Qi-xing 1（1．Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria ＜Ministry of Education ＞，Nankai University ，Tianjin 300071，China ；2．School of Environmental Science and Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ）Abstract ：Microbial fuel cell （MFC ）is a green technology that can treat organic wastewater andrecover electrical energy simultaneously．With the fast development in recent ten years ，the MFC has shifted from the laboratory research to the real application in the future．The anode to which exoelectro-genic bacteria are attached is significant to the performance of MFC ，and it is the hot spot of MFC re-search．Since the carbon material is inexpensive ，superior in conductivity and not biotoxic ，it is an ideal material for the anode．The progress in carbon material for MFC is reviewed in the following four aspects ：two-dimensional materials ，three-dimensional materials ，carbon nanomaterials and the pretreatment of carbon materials．The surface modification （such as surface oxidation or functionalization ）and the appli-cation of nanomaterials will be the hot spot in the future．Key words ：microbial fuel cell ；anode material ；nanomaterial ；pretreatment基金项目：国家自然科学基金资助项目（21107053、21037002）微生物燃料电池（Microbial fuel cell ，MFC ）是近10年来兴起的废物资源化绿色技术，它利用活体微生物作为催化剂将废水或废物中的化学能直接转化为电能，实现了废物处理同步资源化［1］。
固体氧化物燃料电池
氧化物燃料电池的应用
陶瓷燃料电池单片
平板型中温固体氧化物染料电 池 大面积样机支撑复合膜实 现小批量生产，上硅所
易贝硅谷总部安装的两台昂贵 的Bloom Energy设备。
德国公司展出实用水 平燃料电池
福特福克斯燃料电池汽车示意图
燃料电池的众多优点吸引了广大的科
技人员，各国都投入了大量的财力、
使用贵金属作催化剂； • (4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的
腐蚀及封接问题； • (5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量
利用率高达80%左右，是一种清洁高效的能源系统； • (6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态
结构； • (7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃)，加快了电
材料；其二是将电池的运行温度降低至 300摄氏度到500摄氏度之间。研究人员 表示，基于SOFCs在更低的操作温度、更 丰富的燃料来源以及更便宜的材料方面 取得的进步，SOFCs可能很快成为一项主 流技术，未来将能给手提电脑或手机供 电。
首款大型薄膜固体氧化物燃料电池问世
• 2011年5月25日的报道：美 国哈佛大学（Harvard）工程 与应用科学学院（SEAS： School of Engineering and Applied Sciences）以及西能 系统有限责任公司（ SiEnergy Systems LLC）的材 料科学家已演示了第一款宏 观尺度的薄膜固体氧化物燃 料电池（SOFC：solid-oxide fuel cell）。
式目前较为成熟的一种形式。
平板式结构SOFC电池堆
•平板式结构SOFC近几年才引起了人们的关注，这种集合形 状简单的设计使其制作工艺大为简化。平板式SOFC由阳极、 电解质、阴极薄膜组成单体电池，两边带槽的来接替连接相 邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同时隔开两种气体
燃料电池 质子交换膜燃料电池.共57页PPT资料
大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
电催化剂
电催化：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，是多相催化的一个分支。
特点：
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。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的 分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能 大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常 化学反应低得多的温度下进行。
PEMFC中催化剂电极的制备工艺：
多孔气体扩散电极 由扩散层和催化层组成
----扩散层的作用是支撑催化层，收 集电流，并为电化学反应提供电子通道， 气体通道和排水通道
----催化层则是发生电化学反应的场 所是电极的核心部分
电极扩散层一般
由碳纸或碳布制作 厚度为0.2-0.3mm
例如在铂黑电催化剂上可使丙烷于150-200oC完全氧化 为CO2和水。
PEMFC电催化剂的研发方向
降低铂的载量 提高铂的利用率 开发非铂高催化活性的催化剂 提高催化剂的抗CO中毒性能
H2的脱附、氧化
H2O的氧化分解
H+的还原、H2析出
O2的还原峰
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会吸附大量 的溶剂分子和电解质，使电极过程与溶剂 及电解质本性的关系极为密切。这一点导 致电极过程比多相催化反应更加复杂。
2H++ 2e-
阳极反应： 1/2O2+2H++2e总反应： 1/2O2+2H2
H2O H2O
由于质子交换膜只能传导质子， 因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极， 而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。
燃料电池实验报告
燃料电池实验报告摘要：本实验旨在研究燃料电池的性能和工作原理。
通过构建一个简单的燃料电池系统，利用氢气和氧气在阳极和阴极之间发生化学反应，发电的过程来验证燃料电池的工作原理。
通过实验结果可以观察到燃料电池在不同条件下的电流和电压变化情况。
1. 引言燃料电池作为一种环保、高效的能源转换装置，受到了广泛的关注。
与传统燃烧方式相比，燃料电池以直接转化化学能为电能，具有效率高、排放低的优势，因此在交通运输、能源储备等领域具有重要应用前景。
2. 实验方法2.1 实验材料本实验所需材料包括氢气和氧气，以及阳极和阴极。
2.2 实验装置本实验使用的装置包括燃料电池、电流表、电压表和导线。
2.3 实验步骤1) 将阳极和阴极分别连接到燃料电池的相应接口上。
2) 通过导线将阳极和阴极连接到电流表和电压表上。
3) 使用给定的氢气和氧气通过燃料电池。
4) 记录电流表和电压表上的读数。
5) 更改实验条件，如改变气体流量、温度等，重复步骤3和步骤4。
6) 根据实验结果分析燃料电池的性能和工作原理。
3. 实验结果和分析根据实验数据，我们可以绘制出燃料电池在不同条件下的电流和电压变化曲线。
随着氢气和氧气的流量增加，燃料电池的电流和电压也随之增加。
这说明氢气和氧气的供应是影响燃料电池性能的重要因素。
此外，我们还可以观察到燃料电池在不同温度下的性能差异。
随着温度的升高，燃料电池的电流和电压都有所增加。
这是因为在较高温度下，氢气和氧气的反应速率更快，从而提高了燃料电池的发电效率。
4. 结论本实验验证了燃料电池的工作原理，并观察到了燃料电池在不同条件下的电流和电压变化情况。
实验结果表明，氢气和氧气的供应以及温度是影响燃料电池性能的重要因素。
通过对燃料电池的研究，我们可以更好地理解其在能源转换中的应用前景。
未来，我们可以进一步探索如何优化燃料电池的结构和材料，提高其能量转化效率，使其成为一种可持续发展的能源解决方案。
燃料电池堆技术路线图
额定功率70kW 寿命10000h 体积比功率2.0kW/L
2025
2025年达到： 最高效率65% 冷启动温度-40℃ 材料成本500元/kW 乘用车：
额定功率90kW 寿命6000h 体积比功率3.5kW/L 质量比功率2.5kW/kg 商用车：
性能的提升
基于现有材料体系优化膜电极结构，优化 金属双极板和石墨双极板的结构
寿命的提升
优化电堆设计、提高电堆关键部件的一致性
应用新型电极材料和电堆结 构
强化新材料和结构的应用验证
开发高效水管理技术、应用新材料
优化电堆水管理技术、 强化新材料应用
环境适应性
研究关键材料和部件低温特性
开发电堆低温启动技术
额定功率120kW 寿命20000h 体积比功率2.5kW/L
2030
2030年达到： 最高效率65% 冷启动温度-40℃ 材料成本150元/kW 乘用车：
额定功率120kW 寿命80/kg 商用车：
额定功率170kW 寿命30000h 体积比功率3.0kW/L
开发动力系统综合热管理技术
成本控制
减少关键材料用量、 降低材料成本
开发复合质子交换膜、新型催化剂等关键材料， 开发金属和石墨双极板的批量制备技术
应用低成本关键材料和部件，降低制造成本
燃料电池堆技术路线图
2015
2015年现状： 最高效率55% 冷启动温度-20℃ 材料成本4000元/kW 乘用车：
额定功率35kW 寿命3000h 体积比功率2.0kW/L 质量比功率1.5kW/kg 商用车：
额定功率35kW 寿命3000h 体积比功率1.5kW/L
能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)
常见种类
常见的阳极材料包括掺杂的金属氧化 物、复合金属氧化物和钙钛矿型材料 等。
阴极材料
适用范围
阴极材料主要用于固体氧化物燃料电池中的氧还原反应， 要求具有良好的氧还原催化活性、电子导电性和稳定性。
常见种类
常见的阴极材料包括钙钛矿型材料、层状结构材料和复合 阴极材料等。
发展趋势
为了提高SOFC的阴极性能，研究者们正在探索具有高氧 还原催化活性、高电子导电性和稳定性的新型阴极材料， 如过渡金属氧化物、氮化物和碳化物等。
密封与连接
采用合适的密封材料和工艺，确保电池的气密 性和稳定性，同时将电极引出线与外部电路连 接。
电性能测试
测量 SOFC的电压、电流和功率等电 性能参数，以评估其性能表现。
稳定性测试
通过长时间运行测试，观察SOFC的性能 衰减情况，评估其使用寿命和可靠性。
环境适应性测试
在不同温度、湿度和压力等环境下测试 SOFC的性能表现，以评估其实际应用能 力。
组件制备
01
02
03
流延成型
将制备好的粉末与粘结剂 混合，通过流延机制备出 薄膜状的电解质和连接体。
热压成型
将粉末填充到模具中，通 过热压成型制备出电极和 连接体组件。
烧结
在一定温度下对组件进行 烧结，去除粘结剂并使粉 末颗粒间形成致密的陶瓷 相。
电池装配
组件叠层
将电极、电解质和连接体按照设计好 的顺序叠层装配在一起。
低成本化
降低SOFC的成本是实现大规模应用的必要条件。通过开发低成本制备工艺、优化材料配 方、提高材料利用率等方式，可以降低SOFC的制造成本。
规模化应用
随着技术的不断成熟和成本的降低，SOFC有望在未来实现规模化应用。在分布式发电、 移动电源、电动汽车等领域，SOFC具有广阔的应用前景。
燃料电池工作原理、分类及组成
电解质材料
• PAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在高温
下具有良好的离子导电性，所以PAFC的工作温度在200℃左右。 磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出 导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为100%）的凝固点是42℃， 低于这个温度使用时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的 固化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以 PAFC电池一旦启动，体系温度要始终维持在45℃以上。
位与Pt/C或Pt电催化剂作用下发生电化学氧化，并 与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合 电位。
甲醇经膜的这一渗透，不但导致氧电极产生混合电 位，降低DMFC的开路电压，而且增加氧阴极极化和
降低电池的电流效率。
不同浓度下和负荷条件下
甲醇渗透的变化
DMFC与PEMFC不同点
1）由甲醇阳极氧化电化学方程可知，当甲醇阳极氧化时，不但
在过去相当长的一段时期内，AFC系统的研究范围
涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材
料与电性能等。
根据电池工作温度不同， AFC 系统可分为中温型与
低温型两种。
前者以培根中温燃料电池为代表，它由英国培根
(F ． T ． Bacon) 研制，工作温度约为 523K ，阿波罗 登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
隔膜材料
• PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜， 它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜 有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。 • 设计隔膜的孔径远小于PAFC采用的氢电极和氧电极（采用多孔气体 扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳在电解质隔膜内，起 到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后，当
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述1．1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。
它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。
在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。
但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。
同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。
当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。
燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。
总体上，燃料电池具有以下特点：(l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。
(2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
(3) 环保问题少。
(4) 负荷应答速度快，运行质量高。
图 1-1 燃料电池结构示意图由于FC具有以上显著的优点，在50~60年代呈现第一个研制高峰，那时侧重于发展碱性FC，尽管后来未曾象预期的那样在交通工具及大型电厂获得应用，但是FC在航天飞行中取得的成功足以证明它所具有的突出优点。
70年代初，由于投资减少，FC研究进入低潮。
70年代末，由于材料科学的进展和世界性的能源紧缺，开发新的发电技术，提高石油、天然气和煤炭等矿物燃料的利用率又成为人们关注并具有深远意义的课题，这样FC研究又呈现第二个高潮，此时则侧重于发展磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。
现在，燃料电池作为继水力、火力和原子能之后的第四代电源止受到世界的瞩目。
1．2 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，首字母缩写为MCFC)，通常被称为第二代燃料电池，因为预期它将继磷酸盐燃料电池之后进入商业化阶段。
固体氧化物燃料电池的研究进展
摘要固体氧化物燃料电池(SOFC) 是近几年发展起来的新型绿色能源技术，具有无腐蚀，能量转化效率高，燃料适应性强和寿命长等优点。
固体氧化物燃料电池是一种全固态燃料电池，它使用一种可传导氧离子的陶瓷材料充当电解质，由于只需要两种相(气相和固相)，所以原理比其他任何一种燃料电池都要简单。
它不会有磷酸型燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）所面临的电解质管理问题，而很高的工作温度也意味着不需要贵重金属电催化剂。
固体氧化物燃料电池是一种清洁、高效的能源。
本文对燃料电池的研究发展进行了概述，详细地介绍了固体氧化物燃料电池的电解质材料、阴极材料、阳极材料，综述了固体氧化物燃料电池的主要组件(阴极、阳极、电解质材料)的制备方法及其进展，对SOFC在能源开发利用与市场化的前景进行了展望。
并对固体氧化物燃料电池以后的发展提出了一些建议。
关键词：固体氧化物燃料电池；电解质；电极ABSTRACTSolid oxide fuel cell (SOFC) has been developed in recent years as a new type of green energy technology.It has some advantages including non-corrosion,high energy conversion efficiency,high fuel adaptability,and long lifetime.Solid oxide fuel cell is a kind of solid-state fuel cell .It use ceramics material which can conduct oxygen ion as electrolyte.Because of just two phases (gas and solid phase),the principle of solid oxide fuel cell is simpler than any other fuel cell. It does not have the electrolyte management issues which PAFC and MCFC are confronted with .High operating temperature also means that no precious metal electrocatalysts are needed.It is a clean and efficient energy .The paper reviewed the developments of fuel cell and introduced the electrolyte material,anode material,cathode material of solid oxide fuel cell .The paper reviewed the preparation methods and the progress of the major components of SOFC (cathode,anode and electrolyte materials) and expected the the prospect of SOFC in energy development and utilization and recommended the development of solid oxide fuel cell.Key words: Solid oxide fuel cell; electrolyte; electrode前言自从第一次工业革命以来，人类社会几乎每次科学技术水平和生活水平的提高，都与能源技术的革新休戚相关。