2.2 电催化剂

目前，PEMFC 使用的是以活性炭、炭黑以及石墨炭材料为载体的铂催化剂。将铂分散于不同的载体中，制成复合电极材料，是提高铂催化剂利用率的有效途径。碳纳米管具有极大的比表面积和良好的导电性，被认为是一种良好的催化剂载体。Rajalakshmi N 等人通过乙烯基乙二醇和铂盐制得了负载量为32.5 %的碳纳米管载铂催化剂，分析发现铂沉积在碳纳米管表面之前用低浓度的硝酸处理碳纳米管，可以增加催化剂的催化活性。

重整碳氢化合物得到的氢气中常常含有CO杂质，CO会使催化剂中毒，使其催化能力大大降低。通过Pt 和Ru 的协同作用，Pt-Ru催化剂对CO具有抗毒能力，使电池维持较高的性能。Adzic等人将Ru沉积在碳载体表面，然后再将Pt 沉积在碳载体上，可以得到催化性能及抗CO性能良好的催化剂，并且铂的用量大大降低。 2.3 电极组合件

PEMFC 膜电极是其电化学心脏。目前膜电极(membrane elect rode assembly) 研究进展较快。纷纷采用炭载铂技术，并添加粘结剂，用热压方法将电极与膜压合，使电极与膜中的树脂相结合。主要方法有浸渍还原、铂阴离子溶液电沉积、电化学催化、树脂胶体化等。经过研究，目前已使电极中铂催化剂含量降到0.13mg/cm2，最低能降到0.05mg/cm2。膜电极集合体（膜电极三合一）采用喷涂和浸渍法制备，向电极催化层浸入0.6~1.2mg/cm2的Nafion树脂。将用3%~5%H2O2水溶液和0.5mol/L稀硫酸处理的Nafion膜置于两片电极之间，在热压机上压合，热压温度为130~135℃，压力为6~9MPa，压时为60~90s。

美国3M公司研制出一种新型复合膜电极，即膜电极采用复合膜，膜包括多孔膜和离子导电电解质，用离子导电电解质填充多孔膜，制成部分填充的膜，然后将填充膜和电极颗粒压在一起，以除去中间的空隙体积，将电极颗粒包埋在部分填充的膜内。该公司也研制出膜电极组合件。 2.4 双极板

目前，PEMFC 主要采用的双极板是表面改性的0.2~0.4mm的薄金属板，如不锈钢板制备的带排热腔和密封结构的双极板。双极板的厚度为2.5mm左右。美国伊利诺伊州瓦斯技术协会研究人员研制出用于PEMFC的不透气双极性隔

板，隔板含一种以上电子传导性材料，质量占50%~95%，至少含一种树脂和至少一种亲水剂，质量占约5%，电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀分散在整个隔板中。

由于石墨具有抗腐蚀性，以Ballard公司为代表的PEMFC研究者，已成功开发了采用蛇形流场的石墨双极板。加拿大Ballard公司生产的Mark 500(5kW)、Mark 513(10kW)和Mark 700(25~30kw)的PEMFC电池组均是采用这种石墨双极板组装的。

3 固体氧化物燃料电池的研究现状

固体氧化物燃料电池在固定式应用方面具有很大潜力，其工作原理如图5所示。目前SOFC 所使用的燃料主要是氢气、一氧化碳和甲烷，氧化剂气体则为空气或氧气。

图5 SOFC的工作原理

固体氧化物燃料电池具有多燃料适应性、结构简单、能量转化率高等特点，且电池产生的废热可以作为热源供给联合发电系统的其他部分使用，实现了热电联产，从而更有效地提高了整个发电系统的效率，因此SOFC在区域供电方面前景可观。

目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发，与之相应的燃料电池堆的设计从1984年就开始了。1997年10月在新西兰运行了100 kW的固体氧化物燃料电池；德国用80个平面型电池建立了功率为10 kW的平面型燃料电池堆。

目前为止，SOFC在技术上经历了从高温（1000℃左右）到中低温（500~800℃），从管式到平板式等不同设计。Westinghouse公司率先开始了大直径管式SOFC的研制，于1997年成功地展示了第一个高温管式发电站，并已积累了20000h以上的运行经验。但是，由于建造（$100000kW-1）、维护和运行

成本太高，在商业化的进程中面临着难以克服的困难。管式SOFC最大的特点是不需要高温密封，并可望建成大功率的电站。但是，它的功率密度很低。目前这种SOFC主要由Seimens Power Gerenation公司继续开发。在SOFC计划中，Seimens Power Gerenation公司专注于开发新型扁管式SOFC，运行温度也从1000℃ 降至800℃，以期提高功率密度、降低制造成本。 3.1 电解质

在SOFC 系统中，电解质的主要功能在于传导氧离子。因此要求电解质有较大的离子导电能力和小的电子导电能力；必须是致密的隔离层以防止氧化气体和还原气体的相互渗透；能保持好的化学稳定性和较好的晶体稳定性。

目前大量应用于SOFC的电解质是全稳定ZrO2陶瓷。纯ZrO2在1000℃电导率很低，只有10-7S/cm，接近于绝缘物质。在ZrO2中掺入某些二价或三价金属氧化物(如CaO、Y2O3)，低价金属离子占据了Zr4+位置，结果不仅使ZrO2从室温到高温(1000℃)都有稳定的相结构(萤石结构)，而且由于电中性要求，在材料中产生了大量的O2-空位，因而增加了ZrO2的离子电导率，使其高温(800~1000℃)电导率达到10-2~10-1S/cm以上，同时扩展了离子导电的氧分压范围。

8 mol% Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)是目前SOFC中普遍采用的电解质材料，其电导率在950℃约为0.1 S/cm。虽然YSZ的电导率比其它类型的固体电解质（如稳定的CeO2，Bi2O3）小1~2个数量级，但其突出的优点是在很宽的氧分压范围(105~1015Pa)内相当稳定，是目前少数几种在SOFC中具有实用价值的氧化物固体电解质。到目前为止，YSZ仍然作为最可靠的固体电解质材料用于SOFC，但很多寻找替代材料的研究工作仍在进行。其原因在于YSZ电导率不太高而要求高温操作(1000℃)，在这样的温度下，相界面反应会降低电池的效率和稳定性。掺杂铈基电解质已成为研究的热点之一。 3.2 电极材料

早先人们曾采用焦碳作阳极，而后又开始使用金属阳极材料，但在操作温度为1000℃的YSZ 基的SOFC 中，比较合适的金属仅限于Ni、Co 和贵金属。Ni 的价格与Co、Pt、Pd 等相比较为便宜，因此被普遍采用。由于在操作温度下Ni与YSZ电解质发生反应，同时Ni的烧结性能很高，故一般采用把Ni与YSZ 粉混合制成多孔金属陶瓷，Y2O3-ZrO2 既是Ni的多孔载体又是Ni相的烧

结抑制剂，同时该多孔金属与YSZ电解质的粘着力好，热膨胀系数匹配。

Ni的含量对Ni/Y2O3-ZrO2金属陶瓷的性能有很大影响。金属陶瓷中，当Ni含量小于30％时，离子电导占主导，含量在30％以上，电导率有3个数量级以上的突变。Fukui 等发现，Ni/YSZ 的热膨胀系数随Ni含量的增加而线性增大。综合考虑电导率和热膨胀系数，一般采用Ni含量占35％左右。

SOFC中可用作阴极材料的有贵金属，掺锡的ln2O3，掺杂的ZnO2，掺杂的SnO2 等。但这些材料或价格昂贵，或热稳定性差，所以20世纪70年代以后就被新开发出来的钙钛矿型氧化物所取代。这些钙钛矿结构氧化物材料种类繁多，电子电导率的差异也很大。其中LaCoO3、LaFeO3、LaMnO3、LaCrO3掺入碱土金属氧化物后( 碱土金属离子取代La) ，显示出极高的电子导电率, 它们的电子导电率大小顺序为LaCoO3﹥LaFeO3﹥LaMnO3﹥LaCrO3。尽管LaCoO3有最大的电子导电率，但目前研究最多的阴极材料却是LaMnO3，因为YSZ电解质高温SOFC中，LaCoO3、LaFeO3会与YSZ发生反应，在界面生成LaZr2O7绝缘层。另外，掺杂YMnO3等复合材料也被认为可以用作SOFC 的阴极材料。 3.3 连接体材料

SOFC连接体的功能是连接相邻单电池的阳极和阴极，并阻隔燃料和氧化气体。当SOFC在1000℃左右的高温工作时，连接体材料是Sr或其它元素掺杂的LaGrO3。不论这种材料的性能如何，仅由于其脆性，难于加工，在低氧分压的阳极环境中容易产生变形等原因，就使得其应用极为困难，而且成本极高。随着技术的发展，工作温度降低，金属材料逐渐成为连接体材料的选择对象。连接体对金属材料的一般要求是抗氧化性、导电性、高温机械强度、热膨胀系数匹配以及与相接触材料之间的化学相容性等等。含Gr的铁素体不锈钢和高温合金是最有希望的材料。为了满足连接体功能的要求，金属连接体在40000h工作时间内的面比电阻, 应低于0.1?/cm2，其抗氧化性、氧化物的导电性、氧化物与基体的结合强度、镉化物挥发对阴极的毒化等多方面性能还有待于进一步提高。 4 氢气的储存、运输和制备

直接甲醇燃料电池是唯一一种不采用氢气作为燃料的电池。其他的燃料电池都是利用氢气或氢气与一氧化碳混合气（合成气）被电化学氧化。氢气可以在电池内部产生，比如MCFC和SOFC堆，或由外部供应。如图4所示，氢气可以

由纯氢气供应，也可以在系统中的燃料处理器或重整器中产生。

图6归纳了各种燃料电池类型的燃料供应线路。

图6 燃料电池的燃料供应线路

通常采用电解槽，利用太阳能和风能可以制得纯氢气。在这里，不详细介绍电解槽技术。商业上碱性电解槽的效率为65~75%。从矿物燃料或生物原料中制取氢气，需要经过热转化，这个过程既可以作为独立的制备单元，也可以作为燃料电池系统的一部分。固定式应用中，如果供应充分并实行网络状分布，天然气是未来十年内比较好的燃料。对于交通运输，可以选择纯氢气，这就需要纯氢气分布广泛并且储量充分。

氢气的储存和运输 氢气储存

交通应用方面，需要积极研发车载氢存储，与汽油或柴油车相比，达到一个可接受的体积、重量和成本。表1显示了车载氢存储装置的DoE目标。这是根据客车行驶600km需要的氢气量得出的。2015年的目标是生产出重56kg，体积62L，成本$333的储罐，可以存储5kg氢气。加油时间为2.5min。

关于氢气储存，目前正在发展的有这几种：液氢、压缩氢、金属氢化物、硼氢化物以及在碳结构中储存。

目前，压缩氢气存储技术主要采用聚合物和碳纤维制备的轻质罐，将氢气压缩到700bar。液氢主要在-253℃下存储于罐中，罐的设计应满足汽化损失最小。它依赖于驱动装置工作时对汽化损失的要求。但应至少满足工作日每天驾驶25km，没有燃料损失，而每天驾驶50km，燃料损失15%。