燃料電池課件

2020年9月第七十五屆聯合國大會上，我國向世界鄭重承諾二氧化碳排放力爭於2030年前達到峯值，努力爭取2060年前實現碳中和。2021年3月全國兩會召開，碳達峯和碳中和被首次寫入政府工作報告中。二氧化碳排放過量引起的全球氣候變化是目前威脅人類生存發展的一大問題，應對氣候變化的關鍵是控制二氧化碳排放量。然而我國煤炭資源相對豐富，減排壓力嚴峻，減少高碳排放的化石能源使用量是必由之路。因此，不使用化石能源、產物對環境無害的燃料電池受到廣泛關注。燃料電池是一種將燃料、氧化劑中儲存的化學能通過電化學反應的方式直接轉化為電能[1-3]的發電裝置，其能量轉化過程不受卡諾循環限制，因此能量轉換效率高，而且轉化過程幾乎不排放影響氣候變化的物質。基於上述優點，燃料電池早在20世紀60年代就作為首選動力源被美國應用於航天領域，到了21世紀初，以燃料電池作為動力源的潛艇進入軍方服役。隨着技術的不斷成熟，燃料電池在電動汽車、固定發電站、應急不間斷電源等廣闊領域裏展示了應用前景。

燃料電池作為不受卡諾循環限制的電化學發電裝置，可以將反應物中儲存的化學能直接轉換為電能。然而，燃料電池本身只決定對外輸出功率的大小，其中的能量由燃料和氧化劑的量決定，其燃料與氧化劑的量則由電池外部的儲存罐容積決定。只要不斷地將電池外部儲存罐中儲存的燃料和氧化劑輸入到電池內部，並及時排出電池內部因電化學反應產生的反應產物，燃料電池就可以持續不斷地向外部輸出電流[1]。

作為燃料電池的一種，質子交換膜燃料電池（PEMFC）可以在室温下快速啟動，而且對外電路中負載改變能夠及時響應，快速改變對外輸出功率，是固定式發電站以及各種可移動電源的首選技術。質子交換膜燃料電池的主要部件有膜電極組件（MEA）、密封墊圈、雙極板、集流板及端板等，其中，MEA是電化學反應的發生場所，外側為雙極板。膜電極組件作為電池的核心部件，結構上類似於三明治（sandwich），如圖1-1所示，由外而內分別為陰極和陽極氣體擴散層、陰極和陽極氣體擴散層上的微孔層、陰極和陽極催化層，最中心為質子交換膜（PEM）。

上世紀60年代之前，燃料電池僅僅處於基礎研究階段，進入60年代後，開始受到一些國家和軍工部門高度重視。從20世紀70年代開始，由於能源危機及燃料電池自身的優點，世界上所有大汽車公司和石油公司均介入燃料電池研發。現今，各國政府高度重視燃料電池的產業化應用，掀起了燃料電池的研發熱潮。然而時至今日，燃料電池仍未實現大規模商業化，其中的瓶頸是其高成本和低耐久性，根據美國能源部（DOE）發佈的目標（表1-1），當前國際燃料電池產業即將步入商業化階段。

我國的燃料電池研發技術同比美國、日本等國家起步較晚，國內外技術水平時間上相差近十年，但目前，我國燃料電池技術正在飛速進步，商業化、規模化、經濟化也在不斷髮展中。在此背景下，國內外近年來在膜電極耐久性方面開展了大量的研究工作，取得了許多重要的進展。《中國製造2025》目標：2020年國內燃料電池堆壽命達到5000小時，2025年燃料電池系統可靠性與經濟性將得到大幅提升，可以與傳統石油汽車、電動汽車進行競爭，並實現大規模市場化、商業化生產（表1-2）。因此，開展燃料電池衰減機理與緩解策略研究對提高燃料電池耐久性，促進燃料電池大規模商業化至關重要。