質(zhì)子交換膜燃料電池-閆志偉

1、班級(jí)：理研1407時(shí)間：2014.10.08質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池主講人：閆志偉1FCFC簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1 12 23 34 4PEMFCPEMFC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PEMFCPEMFC工作原理工作原理參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)21. 1.定義定義 燃料電池燃料電池是一種直接是一種直接將燃料將燃料和和氧化劑的化學(xué)能通過(guò)氧化劑的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)高效電極反應(yīng)高效地轉(zhuǎn)化為電能的地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電發(fā)電裝置。裝置。2 2特特點(diǎn)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率高（不受卡諾諾循環(huán)環(huán)限制）環(huán)環(huán)境友好噪音小、安靜靜、可靠性高33.FC分類(lèi)溫度類(lèi)型溫度類(lèi)型高溫燃料電池高溫燃料電池中溫燃料電池中溫燃料電池低溫燃料電池低溫燃料電池電解質(zhì)類(lèi)型

2、電解質(zhì)類(lèi)型熔融碳酸鹽型熔融碳酸鹽型MCFCMCFC固體氧化物型固體氧化物型SOFCSOFC磷酸型磷酸型PAFCPAFC堿型堿型AFCAFC聚合物質(zhì)子交換膜聚合物質(zhì)子交換膜PEMFCPEMFC電解質(zhì)電解質(zhì)熔融碳酸鹽熔融碳酸鹽固體氧化物固體氧化物磷酸溶液磷酸溶液KOHKOH高分子質(zhì)子膜高分子質(zhì)子膜陽(yáng)極材料陽(yáng)極材料NiNi、CrCr、AlAlNiNi、YSZYSZ碳紙、碳紙、C/PtC/PtC C、PtPt碳紙、碳紙、C/PtC/Pt陰極材料陰極材料LiCoOLiCoO2 2LaLa、SrSr、MnOMnO3 3碳紙、碳紙、C/PtC/PtC C、PtPt、非貴非貴碳紙、碳紙、C/PtC/Pt、非貴

3、、非貴工作溫度工作溫度/C60070060070090010009001000160220160220609060908010080100反應(yīng)離子反應(yīng)離子COCO3 32- 2-O O2- 2-H+H+OHOH- -H H+ +功率密度功率密度（MW/cmMW/cm2 2) )1020102024302430202520252030203035603560電效率電效率50%50%50%-65%50%-65%37%-42%37%-42%60%-70%60%-70%43%-58%43%-58%特性特性啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、腐啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、腐蝕性電解液蝕性電解液受電池外形設(shè)受電池外形設(shè)計(jì)、腐蝕性材計(jì)、腐蝕性材料

4、限制料限制熱電效率相對(duì)低熱電效率相對(duì)低啟動(dòng)快啟動(dòng)快啟動(dòng)快、工作溫度啟動(dòng)快、工作溫度低、功率密度低、功率密度高、避免對(duì)電極腐高、避免對(duì)電極腐蝕蝕4陽(yáng)極催化層中的氫氣在催化陽(yáng)極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)eHH222電子電子經(jīng)外電路到達(dá)經(jīng)外電路到達(dá)陰極陰極氫氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極陰極OHeHO222221生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過(guò)電極隨反應(yīng)尾氣排出通過(guò)電極隨反應(yīng)尾氣排出。5質(zhì)質(zhì)子交換換膜型燃料電電池(Proton exchange membrane fuel cells)質(zhì)子交換膜催化層氣體擴(kuò)散層雙極板全氟磺

5、酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)膜鉑/炭或鉑-釕/炭起分散燃料和氧化劑以及收集電流的作用起集流、分隔氧化劑和還原劑；傳導(dǎo)電流；冷卻電池組；傳輸生成的水、濕氣673.1質(zhì)子交換膜物理性能化學(xué)學(xué)性能電電化學(xué)學(xué)性能厚度，溶脹度，含水率，機(jī)械穩(wěn)定性耐酸堿性和耐氧化性，導(dǎo)電性；選擇透過(guò)性能8PEM全氟型磺酸膜摻雜改性的全氟磺酸膜復(fù)合改性的全氟磺酸膜部分氟化PEM非氟化PEM聚苯并咪唑（PBI）質(zhì)子交換膜 無(wú)機(jī)摻雜膜 （酸堿摻雜）PBI 復(fù)合膜9種類(lèi)種類(lèi)化學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)結(jié)構(gòu)摩爾質(zhì)質(zhì)量EW（g/mol)Nafion膜x=610，y=z=1,n=210001200Dow膜x=310，y=1，z=0,n=2800850Flem

6、ionx=610,y=z=1,n=28001500Aciplexx=610,y=01,z=1,n=258001500EW(Equivalent weight) 表示表示1mol磺酸基團(tuán)的樹(shù)脂質(zhì)量，磺酸基團(tuán)的樹(shù)脂質(zhì)量，EW值越小，樹(shù)脂的電導(dǎo)越大，但膜的強(qiáng)度越低。值越小，樹(shù)脂的電導(dǎo)越大，但膜的強(qiáng)度越低。10水合Nafion的反膠囊離子簇微相模型反膠囊粒子團(tuán)簇固定電荷點(diǎn)離子膜的微觀結(jié)構(gòu)及其傳質(zhì)關(guān)系示意圖離子交換膜主要由高分子母體,即疏水的碳氟主鏈區(qū)、離子鏈和離子簇間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于離子簇的周壁帶有負(fù)電荷的固定離子,而各離子簇之間的通道短而窄,因而對(duì)于帶負(fù)電且水合半徑較大的OH-離子的遷移阻力

7、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于H+,這也正是離子膜具有選擇透過(guò)性的原因。11 全氟磺酸膜的陰離子磺酸根通過(guò)醚支鏈固定在全氟主鏈上,最大限度地減少陰離子在鉑催化劑上的吸附,具有陽(yáng)離子選擇透過(guò)的特性。 氟原子強(qiáng)烈的吸電子作用增加全氟聚乙烯磺酸的酸性,在水中完全解離,其酸性與硫酸相當(dāng),進(jìn)而增強(qiáng)PEM的離子電導(dǎo)。 由于C一F鍵鍵能(485KJ/mol)比一般的C一H鍵鍵能高出84KJ/mol,全氟PEM具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,富電子的氟原子緊密地包裹在碳碳主鏈周?chē)?保護(hù)碳骨架免于電化學(xué)反應(yīng)自由基中間體的氧化,因此全氟磺酸膜具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。12 PEMFC的電極電極均為氣為氣體擴(kuò)擴(kuò)散電極電極。它它至少有兩層構(gòu)

8、兩層構(gòu)成：起支撐作用的擴(kuò)擴(kuò)散層層和為電為電化學(xué)學(xué)反應(yīng)進(jìn)應(yīng)進(jìn)行的催化層層。催化層催化層擴(kuò)散層擴(kuò)散層電極結(jié)構(gòu)示意圖電極結(jié)構(gòu)示意圖13支撐作用，要求擴(kuò)擴(kuò)散層層適于擔(dān)載載催化層層擴(kuò)擴(kuò)散層與層與催化層層的接觸電觸電阻要小催化層層主要成分是Pt/C電電催化劑劑，故擴(kuò)擴(kuò)散層層一般選選炭材制備備擴(kuò)擴(kuò)散層應(yīng)層應(yīng)具備備高孔隙率和適宜的孔分布，有利于傳質(zhì)傳質(zhì)陽(yáng)極擴(kuò)散層收集燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生的電流，陰極擴(kuò)散層為氧陽(yáng)極擴(kuò)散層收集燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生的電流，陰極擴(kuò)散層為氧的電化學(xué)還原反應(yīng)輸送電子，即擴(kuò)散層應(yīng)是的電化學(xué)還原反應(yīng)輸送電子，即擴(kuò)散層應(yīng)是電的良導(dǎo)體電的良導(dǎo)體。極極化主要在氧陰極氧陰極，因此擴(kuò)擴(kuò)散層層尤其是氧電極

9、氧電極的擴(kuò)擴(kuò)散層應(yīng)層應(yīng)是熱熱的良導(dǎo)導(dǎo)體。14擴(kuò)散層的上述功能采用石墨化的擴(kuò)散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布炭紙或炭布是可以達(dá)到的，但是是可以達(dá)到的，但是PEMFC擴(kuò)散層要同時(shí)滿足反應(yīng)氣與產(chǎn)物水的傳遞，并具有高的擴(kuò)散層要同時(shí)滿足反應(yīng)氣與產(chǎn)物水的傳遞，并具有高的極限電流，則是擴(kuò)散層制備過(guò)程中最難的技術(shù)問(wèn)題極限電流，則是擴(kuò)散層制備過(guò)程中最難的技術(shù)問(wèn)題carbon papercarbon cloth15擔(dān)載性催化劑擔(dān)載性催化劑催化劑：高分散的納米級(jí)催化劑：高分散的納米級(jí)Pt顆粒顆粒擔(dān)體：導(dǎo)電、抗腐蝕的乙炔炭黑擔(dān)體：導(dǎo)電、抗腐蝕的乙炔炭黑161) 制備備Pt/C電催化劑電催化劑離子交換法離子交換法H

10、2PtCl6直接還原法直接還原法真空濺射法真空濺射法共沉淀法共沉淀法膠體鉑溶膠法膠體鉑溶膠法以以Pt/C催化劑和過(guò)渡金屬鹽水催化劑和過(guò)渡金屬鹽水溶液為原料制備（還原）溶液為原料制備（還原）真空濺射法真空濺射法Pt-M/C電催化劑電催化劑Pt-M-HxWO3/C電催化劑電催化劑復(fù)復(fù)合擔(dān)體172) 表征相表征相表征 XRD 粒徑分布粒徑分布 粒度分布儀粒度分布儀粒度粒度 TEM、由循環(huán)伏安曲線氫吸附峰面積求得、由循環(huán)伏安曲線氫吸附峰面積求得比表面積比表面積 由電化學(xué)活性表面積求得由電化學(xué)活性表面積求得18 由于膜的質(zhì)質(zhì)子（離子）導(dǎo)電導(dǎo)電性與與膜的潤(rùn)濕狀態(tài)潤(rùn)濕狀態(tài)密切相關(guān)關(guān)，因此保證證膜的充分濕潤(rùn)濕

11、潤(rùn)性是電電池正常運(yùn)運(yùn)行的關(guān)鍵關(guān)鍵因素之一。質(zhì)質(zhì)子交換換膜內(nèi)內(nèi)的水傳遞過(guò)傳遞過(guò)程有三種傳遞種傳遞方式： 水分子與與H+ +一起，由膜的陽(yáng)極側(cè)陽(yáng)極側(cè)向陰極側(cè)遷陰極側(cè)遷移。電遷電遷移 因?yàn)闉镻EMFC為為酸性燃料電電池，水在陰極陰極生成，膜陰極側(cè)陰極側(cè)水濃濃度高于陽(yáng)極側(cè)陽(yáng)極側(cè)，在水濃濃差的作用下，水由膜的陰極側(cè)陰極側(cè)向陽(yáng)極側(cè)陽(yáng)極側(cè)反擴(kuò)擴(kuò)散。濃濃差反擴(kuò)擴(kuò)散 在PEMFC的運(yùn)運(yùn)行過(guò)過(guò)程中，一般使氧氧化劑壓劑壓力高于還還原劑劑的壓壓力，在反應(yīng)氣壓應(yīng)氣壓力梯度作用下，水由膜的陰極側(cè)陰極側(cè)向陽(yáng)極側(cè)傳遞陽(yáng)極側(cè)傳遞，即壓壓力遷遷移。壓壓力遷遷移191 Carollo A, Quartarone E, Tomasi C, et al. Developments of new proton conducting membranes based on different polybenzimidazole structures for fuel cells applicationsJ. Journal of power sources, 2006, 160(1): 175-180.2 倪紅軍,汪興興,黃明宇等.質(zhì)子交換膜燃料電池及其雙極板的研究J.材料科學(xué)與工藝,2008,16(2):250-254.DOI:10.3969/j.issn.10050299.2008