質(zhì)子交換膜燃料電池

3.4.4質(zhì)子交換膜燃料電池2021/10/10星期日1質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembrane,PEMFC)

1.

PEMFC的應用PEMFC不僅可應用在外太空，還可以應用于陸地車輛和潛艇。將PEMFC微型化，也可應用于便攜式電子器材。Fuel-CellPoweredTransitBusesinChicago2021/10/10星期日2

HONDA

FCX-V4是美國EPA通過認證的第一輛燃料電池車(PEMFC)

續(xù)航力：430km極速：150km/h2021/10/10星期日3Spallino一家和Honda燃料電池轎車“FCX”2021/10/10星期日4德國212A級潛艇

2021/10/10星期日5應用在微型飛機上HornetMAV由

AeroVironmentInc.設計。第一架完全由PEMFC提供動力的UAV(無人飛機)。結(jié)構(gòu)資料翼展:38cm

總重量:170g

功率輸出:10W2021/10/10星期日62.質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理陽極陰極質(zhì)子交換膜擴散層和催化層陽極反應：H2＋2H2O－＞2H3O＋＋2e陰極反應：1/2O2＋2H3O+＋2e

－＞2H2O熱量2021/10/10星期日7質(zhì)子交換膜燃料電池的主要組成1雙極板2質(zhì)子交換膜3電催化劑單元燃料電池由三種基本元件：一個質(zhì)子交換膜（兩側(cè)載有催化劑鉑）兩個電極（兼氣體擴散層）、兩個流場板（雙極板）組成。2021/10/10星期日81質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板集流、導電隔板，良好的導電體，抗腐蝕，導熱性好支撐、要有一定的強度分割氧化劑與還原劑，具有阻氣功能引導氧化劑和還原劑在電極表面流動，要有流場（蛇形流道、平行流道、交指流道、網(wǎng)格流場等）1）質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的功能和特點：2021/10/10星期日92）雙極板的種類石墨板金屬板復合雙極板2021/10/10星期日10（1）無孔石墨板

由炭粉或石墨粉與可石墨化的樹脂高溫下制備。優(yōu)點：化學穩(wěn)定性好，電導率高，阻氣性好。缺點：加工周期長，材質(zhì)較脆，不易加工，價格較高。（2）注塑石墨板

主要采用石墨粉或炭粉與樹脂、導電膠粘劑混合，注塑成形后高溫燒結(jié)。優(yōu)點：省略了機加工流場步驟，降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期。缺點：高溫過程容易形變。石墨板2021/10/10星期日11優(yōu)點：比石墨具有更好的導電及導熱性，具有極高的氣體不透過性，良好的機加工特性。金屬板缺點：耐腐蝕性能差，表面鈍化。改進：表面處理，表面涂層（石墨粉、氧化鉛、碳化硅等）。2021/10/10星期日12復合雙極板綜合了純石墨板和金屬雙極板的優(yōu)點，具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、強度高等特點，包括：（1）金屬基復合雙極板；（2）碳基復合材料雙極板。2021/10/10星期日13質(zhì)子交換膜最早的質(zhì)子交換膜是以碳氫為骨架的聚合物，如交聯(lián)聚乙烯—雙乙烯基苯磺酸和磺化酚醛樹脂膜等。其結(jié)構(gòu)中的C—H鍵易于斷裂，聚合物不穩(wěn)定，應用于電池堆時，壽命只有數(shù)小時。20世紀60年代中期，美國GE與Dupont公司合作，成功開發(fā)了現(xiàn)在仍得到廣泛應用的全氟磺酸Nafion系列膜，并將其用于質(zhì)子交換膜燃料電池，使電池的壽命提高到57000h。除Nafion系列膜外，目前已開發(fā)的全氟磺酸膜還有以下幾種:Aciplex系列膜(日本AsahiChemical公司)、Flemion系列膜(日本AsahiGlass公司)、Dow膜(美國DowChemical公司)和BAM膜(加拿大Ballard公司)等。2021/10/10星期日141對質(zhì)子交換膜的基本要求（1）高選擇性離子導電；（2）化學穩(wěn)定性好；（3）良好的力學性能；（4）熱穩(wěn)定性好；（5）反應氣體的透氣率低；（6）價格低廉。2質(zhì)子交換膜的種類（1）全氟型磺酸膜（2）非全氟型磺酸膜2021/10/10星期日15全氟型質(zhì)子交換膜由碳氟主鏈和帶有磺酸基團的醚支鏈構(gòu)成。Nafion系列膜的化學結(jié)構(gòu)式2021/10/10星期日16膜電極總成膜電極總成通常由電極（又叫氣體擴散）、催化劑層、電解膜層等組成鉑微粒固定在相對較大的炭粉粒子上,催化劑一般為鉑，目前，用量為0.2mg/cm2,2021/10/10星期日171.全氟型質(zhì)子交換膜的優(yōu)點：(1)高的化學穩(wěn)定性；(2)高的機械強度及在高濕度下高的電導率；(3)低溫下實現(xiàn)高的電流密度；(4)離子傳導電阻小等。2.全氟型質(zhì)子交換膜的缺點：(1)單體合成困難，成本高，廢品難處理；(2)質(zhì)子導電率嚴重依賴膜內(nèi)水的含量；(3)溫度升高會引起導電率下降、膜的化學降解；(4)用于甲醇燃料電池時，易發(fā)生甲醇滲漏，引起陰極催化劑中毒等。2021/10/10星期日18改性全氟磺酸膜增強型復合質(zhì)子交換膜聚四氟乙烯/全氟磺酸復合膜（美國Gore公司）玻璃纖維/全氟磺酸復合膜（英國JohnsonMatthery公司、武漢理工）高溫型復合質(zhì)子交換膜雜多酸/全氟磺酸復合膜（磷鎢酸、硅鎢酸(STA)、磷鉬酸、磷錫酸）（加拿大蒙特利爾大學工學院、,美國普林斯頓大學）無機氧化物/全氟磺酸復合膜（SiO2)阻醇型質(zhì)子交換膜(直接甲醇燃料電池)等離子體蝕刻與鈀濺射改性膜、PVDF-Nafion共混膜2021/10/10星期日19非全氟型磺酸膜部分氟化的質(zhì)子交換膜

磺化的三氟苯乙烯共聚物（加拿大Ballard公司）有機氟化物/無機物共混膜

無氟化質(zhì)子交換膜有機—無機復合質(zhì)子交換膜2021/10/10星期日20質(zhì)子交換膜燃料電池電催化劑電催化劑的作用：

降低反應的活化能，使電極反應在平衡電勢附近以高電流密度發(fā)生。電催化劑的特點：（1）電催化活性高；（2）比表面積高；（3）導電性好；（4）穩(wěn)定性好；（5）適當?shù)妮d體。2021/10/10星期日211.陽極催化劑

H2在酸性環(huán)境中的陽極氧化反應為：H2+2H2O→2H3O+2e-一般認為它的具體途徑如下(M代表電催化劑表面原子)：第一步H2+M→MH2第二步有兩種可能的途徑：

(1)MH2+M→MH+MHMH+H2O→M+H3O++e-

(2)MH2+H2O→MH+H3O++e-

MH+H2O→

M+H3O++e-1.1陽極催化劑的催化機理2021/10/10星期日221.2

CO對陽極催化劑的毒化作用

CO在催化劑表面的吸附遠強于氫，因此催化劑上吸附氫的活性位會被CO所占據(jù)，從而對氫的電氧化反應造成阻礙，實驗結(jié)果表明，即使氫氣中CO的濃度低至10-5也會導致嚴重的陽極極化現(xiàn)象，使電池的性能嚴重下降。由于價格因素和儲氫的困難，一般多使用重整氣制氫用于燃料電池的燃料，這些氣體中大多都含有CO。解決CO毒化問題的途徑主要有：（1）在燃料中加入氧化劑；（2）研制抗CO中毒的電催化劑。2021/10/10星期日231.3陽極催化劑的種類Pt黑Pt/C催化劑二元陽極催化劑Pt-Ru，Pt-Rh，Pt-Ir多元陽極催化劑PtRuX(X=Au、Co、Cu、Fe、Mo、Ni、Sn

、W)2021/10/10星期日242.陰極催化劑2.1陰極催化劑的催化機理O2的陰極還原“直接四電子”式：O2+4H++4e-

→

2H2O二電子式：O2+2H++2e-→H2O2

H2O2+2H++2e-→

2H2O在以Pt為電催化劑時，O2的還原反應是按四電子反應歷程進行，其反應如下：O2+2M→

2MO2MO+4H＋+4e-→

2M+2H2O2021/10/10星期日252.2陰極催化劑的種類（1）Pt催化劑（2）Pt基合金催化劑（3）過渡金屬大環(huán)絡合物催化劑（4）其他氧還原催化劑2021/10/10星期日26汽車市場的變革2021/10/10星期日27燃料電池大客車2021/10/10星期日28燃料電池大客車布置2021/10/10星期日29混合動力燃料電池大客車原理2021/10/10星期日30燃料電池小客車2021/10/10星期日31電動車控制器2021/10/10星期日32礦物燃料制氫2021/10/10星期日33再生能源電解制氫2021/10/10星期日34加氫站設施2021/10/10星期日35使用氫燃料安全嗎？2021/10/10星期日36思考題：試說明質(zhì)子交換膜燃料電池的原理及用途。質(zhì)子交換膜的種類有哪些，舉例說明。

2021/10/10星期日37寫在最后成功的基礎在于好的學習習慣Thefoundationofsucces