質子交換膜燃料電池閆志偉

班級：理研1407時間：2014.10.08燃料電池─質子交換膜燃料電池主講人：閆志偉1FC簡介1234PEMFC結構PEMFC工作原理參考文獻2I燃料電池(FC)簡介1.定義燃料電池是一種直接將燃料和氧化劑的化學能通過電極反應高效地轉化為電能的發(fā)電裝置。2特點能量轉換效率高（不受卡諾循環(huán)限制）環(huán)境友好噪音小、安靜、可靠性高3I燃料電池(FC)簡介3.FC分類溫度類型高溫燃料電池中溫燃料電池低溫燃料電池電解質類型熔融碳酸鹽型MCFC固體氧化物型SOFC磷酸型PAFC堿型AFC聚合物質子交換膜PEMFC電解質熔融碳酸鹽固體氧化物磷酸溶液KOH高分子質子膜陽極材料Ni、Cr、AlNi、YSZ碳紙、C/PtC、Pt碳紙、C/Pt陰極材料LiCoO2La、Sr、MnO3碳紙、C/PtC、Pt、非貴碳紙、C/Pt、非貴工作溫度/oC600~700900~1000160~22060~9080~100反應離子CO32-O2-H+OH-H+功率密度（MW/cm2)10~2024~3020~2520~3035~60電效率>50%50%-65%37%-42%60%-70%43%-58%特性啟動時間長、腐蝕性電解液受電池外形設計、腐蝕性材料限制熱電效率相對低啟動快啟動快、工作溫度低、功率密度高、避免對電極腐蝕4ⅡPEMFC工作原理陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應電子經外電路到達陰極氫離子則經質子交換膜到達陰極生成的水不稀釋電解質，而是通過電極隨反應尾氣排出。5PEMFC結構質子交換膜型燃料電池(Protonexchangemembranefuelcells)Ⅲ質子交換膜催化層氣體擴散層雙極板PEMFC全氟磺酸型質子交換膜為電解質膜鉑/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；傳導電流；冷卻電池組；傳輸生成的水、濕氣6PEMFC結構Ⅲ73.1質子交換膜要求物理性能化學性能電化學性能厚度，溶脹度，含水率，機械穩(wěn)定性耐酸堿性和耐氧化性，導電性；選擇透過性能83.2質子交換膜的分類PEM全氟型磺酸膜摻雜改性的全氟磺酸膜復合改性的全氟磺酸膜部分氟化PEM非氟化PEM聚苯并咪唑（PBI）質子交換膜無機摻雜膜（酸堿摻雜）PBI復合膜93.2.3全氟型磺酸膜種類化學結構摩爾質量EW（g/mol)Nafion膜x=6~10，y=z=1,n=21000~1200Dow膜x=3~10，y=1，z=0,n=2800~850Flemionx=6~10,y=z=1,n=2800~1500Aciplexx=6~10,y=0~1,z=1,n=2~5800~1500全氟質子交換膜的結構EW(Equivalentweight)

表示1mol磺酸基團的樹脂質量，EW值越小，樹脂的電導越大，但膜的強度越低。10水合Nafion的反膠囊離子簇微相模型反膠囊粒子團簇固定電荷點離子膜的微觀結構及其傳質關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絡結構構成。由于離子簇的周壁帶有負電荷的固定離子,而各離子簇之間的通道短而窄,因而對于帶負電且水合半徑較大的OH-離子的遷移阻力遠遠大于H+,這也正是離子膜具有選擇透過性的原因。全氟型磺酸膜3.2.311全氟型磺酸膜3.2.3全氟磺酸膜的陰離子磺酸根通過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,具有陽離子選擇透過的特性。氟原子強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,進而增強PEM的離子電導。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)定性和化學穩(wěn)定性,富電子的氟原子緊密地包裹在碳碳主鏈周圍,保護碳骨架免于電化學反應自由基中間體的氧化,因此全氟磺酸膜具有較好的電化學穩(wěn)定性。123.3擴散層和催化層PEMFC的電極均為氣體擴散電極。它至少有兩層構成：起支撐作用的擴散層和為電化學反應進行的催化層。催化層擴散層電極結構示意圖13擴散層3.3.1功能和要求支撐作用，要求擴散層適于擔載催化層擴散層與催化層的接觸電阻要小催化層主要成分是Pt/C電催化劑，故擴散層一般選炭材制備擴散層應具備高孔隙率和適宜的孔分布，有利于傳質陽極擴散層收集燃料的電化學氧化產生的電流，陰極擴散層為氧的電化學還原反應輸送電子，即擴散層應是電的良導體。極化主要在氧陰極，因此擴散層尤其是氧電極的擴散層應是熱的良導體。14擴散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布是可以達到的，但是PEMFC擴散層要同時滿足反應氣與產物水的傳遞，并具有高的極限電流，則是擴散層制備過程中最難的技術問題carbonpapercarboncloth3.3.1擴散層15擔載性催化劑催化劑：高分散的納米級Pt顆粒擔體：導電、抗腐蝕的乙炔炭黑3.3.2催化劑的制備161)制備Pt/C電催化劑離子交換法H2PtCl6直接還原法真空濺射法共沉淀法膠體鉑溶膠法以Pt/C催化劑和過渡金屬鹽水溶液為原料制備（還原）真空濺射法Pt-M/C電催化劑Pt-M-HxWO3/C電催化劑復合擔體催化劑的制備3.3.2172)表征相表征—XRD粒徑分布—粒度分布儀粒度—TEM、由循環(huán)伏安曲線氫吸附峰面積求得比表面積—由電化學活性表面積求得催化劑的表征3.3.3183.4電池組的水管理由于膜的質子（離子）導電性與膜的潤濕狀態(tài)密切相關，因此保證膜的充分濕潤性是電池正常運行的關鍵因素之一。質子交換膜內的水傳遞過程有三種傳遞方式：電遷移水分子與H+一起，由膜的陽極側向陰極側遷移。濃差反擴散因為PEMFC為酸性燃料電池，水在陰極生成，膜陰極側水濃度高于陽極側，在水濃差的作用下，水由膜的陰極側向陽極側反擴散。壓力遷移在PEMFC的運行過程中，一般使氧化劑壓力高于還原劑的壓力，在反應氣壓力梯度作用下，水由膜的陰極側向陽極側傳遞，即壓力遷移。19主要參考文獻Ⅳ[1]CarolloA,QuartaroneE,TomasiC,etal.Developmentsofnewprotonconductingmembranesbasedondifferentpolybenzimidazolestructuresforfuelcellsapplications[J].Journalofpowersources,2006,160(1):175-180.[2]倪紅軍,汪興興,黃明宇等.質子交換膜燃料電池及其雙極板的研究[J].材料科學與工藝,2008,16(2):250-254.DOI:10.3969/j.issn.10050299.2008.02.026.[3]呂海峰,程年才,木士春等.質子交換膜燃料電池Pd修飾Pt/C催化劑的電催化性能[J