燃料电池课件

2020年9月第七十五届联合国大会上，我国向世界郑重承诺二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年3月全国两会召开，碳达峰和碳中和被首次写入政府工作报告中。二氧化碳排放过量引起的全球气候变化是目前威胁人类生存发展的一大问题，应对气候变化的关键是控制二氧化碳排放量。然而我国煤炭资源相对丰富，减排压力严峻，减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、产物对环境无害的燃料电池受到广泛关注。燃料电池是一种将燃料、氧化剂中储存的化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能[1-3]的发电装置，其能量转化过程不受卡诺循环限制，因此能量转换效率高，而且转化过程几乎不排放影响气候变化的物质。基于上述优点，燃料电池早在20世纪60年代就作为首选动力源被美国应用于航天领域，到了21世纪初，以燃料电池作为动力源的潜艇进入军方服役。随着技术的不断成熟，燃料电池在电动汽车、固定发电站、应急不间断电源等广阔领域里展示了应用前景。

燃料电池作为不受卡诺循环限制的电化学发电装置，可以将反应物中储存的化学能直接转换为电能。然而，燃料电池本身只决定对外输出功率的大小，其中的能量由燃料和氧化剂的量决定，其燃料与氧化剂的量则由电池外部的储存罐容积决定。只要不断地将电池外部储存罐中储存的燃料和氧化剂输入到电池内部，并及时排出电池内部因电化学反应产生的反应产物，燃料电池就可以持续不断地向外部输出电流[1]。

作为燃料电池的一种，质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以在室温下快速启动，而且对外电路中负载改变能够及时响应，快速改变对外输出功率，是固定式发电站以及各种可移动电源的首选技术。质子交换膜燃料电池的主要部件有膜电极组件（MEA）、密封垫圈、双极板、集流板及端板等，其中，MEA是电化学反应的发生场所，外侧为双极板。膜电极组件作为电池的核心部件，结构上类似于三明治（sandwich），如图1-1所示，由外而内分别为阴极和阳极气体扩散层、阴极和阳极气体扩散层上的微孔层、阴极和阳极催化层，最中心为质子交换膜（PEM）。

上世纪60年代之前，燃料电池仅仅处于基础研究阶段，进入60年代后，开始受到一些国家和军工部门高度重视。从20世纪70年代开始，由于能源危机及燃料电池自身的优点，世界上所有大汽车公司和石油公司均介入燃料电池研发。现今，各国政府高度重视燃料电池的产业化应用，掀起了燃料电池的研发热潮。然而时至今日，燃料电池仍未实现大规模商业化，其中的瓶颈是其高成本和低耐久性，根据美国能源部（DOE）发布的目标（表1-1），当前国际燃料电池产业即将步入商业化阶段。

我国的燃料电池研发技术同比美国、日本等国家起步较晚，国内外技术水平时间上相差近十年，但目前，我国燃料电池技术正在飞速进步，商业化、规模化、经济化也在不断发展中。在此背景下，国内外近年来在膜电极耐久性方面开展了大量的研究工作，取得了许多重要的进展。《中国制造2025》目标：2020年国内燃料电池堆寿命达到5000小时，2025年燃料电池系统可靠性与经济性将得到大幅提升，可以与传统石油汽车、电动汽车进行竞争，并实现大规模市场化、商业化生产（表1-2）。因此，开展燃料电池衰减机理与缓解策略研究对提高燃料电池耐久性，促进燃料电池大规模商业化至关重要。