膜電極組基本結(jié)構(gòu)

關(guān)于膜電極組基本結(jié)構(gòu)1第1頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六2質(zhì)子交換膜型(PEMFC)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)造約分為：1.高分子質(zhì)子交換膜（塗佈觸媒及其他物質(zhì)）。2.氣體導(dǎo)流板。3.集電片。4.夾板。

第2頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六3單一CELL

電池組

(金屬板)(集電極)(電極流場)(電極)(氣體散播層)(離子導(dǎo)體)(薄膜)(金屬板)(集電極)(電極)(氣體散播層)(離子導(dǎo)體)(薄膜)(電極流場)第3頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六4離子交換膜(Perfluorocarbon)結(jié)構(gòu)圖第4頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六5離子交換膜(Perfluorocarbon)結(jié)構(gòu)圖第5頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六6氫氧作燃料的燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖~第6頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六7觸媒(陽極觸媒)(陰極觸媒)第7頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六8電催化反應(yīng)催化觸媒：低溫燃料電池電催化是電化學(xué)和觸媒的組合，我們可利用觸媒電極，使得電化學(xué)反應(yīng)能在接近理論電壓和高電流密度下進行。而燃料電池是利用電催化觸媒把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。第8頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六9(流道板)(電流收集極)(襯墊)(襯墊)(觸媒層和陽離子交換膜組合)膜電極組基本結(jié)構(gòu)第9頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六10電池性能圖第10頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六11

電池性能圖說明(1)對於一般質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMRFC）用電極，由於膜與電極不是緊密地聯(lián)結(jié)在一起，用於PEMRFC電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並且由於作爲擴散層的碳紙中，PTFE的含量太高，防水性強，使電解性能很差。可逆式再生氫氧燃料電池，要求電極具有雙效性，即既能催化發(fā)生燃料電池反應(yīng)，又能催化發(fā)生電解反應(yīng)。針對這種特徵，我們設(shè)計一種雙層催化層電極，即首先在質(zhì)子膜的兩側(cè)化學(xué)鍍pt、Ir，作爲水電解反應(yīng)的催化層，然後製作類似於PEMFC用電極，其催化層主要催化燃料電池反應(yīng)。PEMRFC採用雙層催化層後燃料電池性能如圖3所示，其中氫氧氣操作壓力爲0.3Mpa，採用Nafion115膜，氫氧氣的尾氣排放量爲化學(xué)計量值。第11頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六12

電池性能圖說明(2)從圖中可以看出，隨著操作溫度的升高，電池性能提高。這是因爲升高溫度有利於提高電化學(xué)反應(yīng)的速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜中的傳遞速度。當電流密度爲500mA/cm2時，80℃RPEMRFC電池電壓爲0.65V,同PEMFC相比（沒有畫圖，當電流密度爲500mA/cm2時，80℃PEMFC電池電壓爲0.71V）有一定差距。這主要是由於PEMRFC氧電極催化層中含有一層化學(xué)鍍銥，而銥對氧氣還原催化活性很小，電極反應(yīng)過程中，質(zhì)子只有通過這層銥催化層，才能達到鉑催化劑的活性位上反應(yīng)，從而增加了質(zhì)子傳遞阻力，使電池性能下降。

第12頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六13電解曲線圖隨著溫度升高，在同一電流密度下，電解電壓下降。這主要是由於隨著電解溫度的升高，水的理論分解電壓、陰陽極的過電位降低，使電解電壓下降。當電解溫度爲20℃，電流密度大於700mA/cm2時，電解電壓急劇升高，出現(xiàn)極限電流。這是由於在低溫情況下，質(zhì)子交換膜的傳導(dǎo)質(zhì)子能力下降，出現(xiàn)極限電流值。第13頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六14多次循環(huán)伏安曲線圖第14頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六15多次循環(huán)伏安曲線圖說明從圖中可以看出，隨著迴圈次數(shù)的增加，燃料電池、電解性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經(jīng)過多次迴圈之後，蒸餾水在其上成膜狀分佈。說明電解過程中産生的氧氣對電極擴散層産生破壞，降低了電極的擴散層的防水性能，使氧氣到催化劑活性位的擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。造成電解性能下降的原因可能是：一方面由於銥催化劑在電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導(dǎo)體，增加了電極中電子傳導(dǎo)阻力，使電解性能下降；另一方面由於電解過程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入膜與催化劑的介面，可能使化學(xué)鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴圈使用壽命。第15頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六16電極電極反應(yīng)：陽極：H22H++2e-陰極:O2+4H++4e-2H2O+EE=-1.229v第16頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六17雙極板雙極板功能：分隔氧化劑與還原劑收集電流確保電池堆的溫度均勻分佈達到散熱效果第17頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六18TargetValue<$10/kg包含材料和加工<16μA/cm2>100S/cm或者>200S/㎝2

<2×10-6cm3/cm2-sΔP=2atm>1kW/kg(對於交通工具用)足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄雙極板規(guī)格特性要求製造成本抗腐蝕性材料導(dǎo)電性材料氣密性重量輕良好的機械性質(zhì)第18頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六19EX:石墨雙極板製作流道設(shè)計石墨素材平面整修建立CADCAM模型建檔路徑模擬NC加工程式素材切面石墨薄面平面整修雙極板槽孔加工燃料電池雙極板第19頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六20多層複合型雙極板第20頁，共24頁，2022年，5月20日，2點53分，星期六21流場(氣體通道)(集電器)(氣體擴散器)(觸媒層)(薄膜層)第21頁，共24頁，2022年，5月20日