先进电池材料之燃料电池-质子交换膜燃料电池

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1、燃料电池─质子交换膜燃料电池工作原理与结构发展简史特点与用途主要部件单电池与电池组电池组失效分析主要内容质子交换膜型燃料电池(Protonexchangemembranefuelcells，PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。1.PEMFC工作原理与结构1.1工作原理工作原理示意图PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应:该电极反应产生的电子经外电路到达

2、阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。总的反应：阳极反应：阴极反应：1.2PEMFC结构组成图由图可知，构成PEMFC的关键材料与部件为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换膜和双极板。20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于双子星座航天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短，且还污染了电池的生成水，使宇航员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜，延长了电池寿命，解决

3、了电池生成水被污染的问题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC)，造成PEMFC的研究长时间内处于低谷。2.PEMFC的发展简史1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下，PEMFC取得了突破性进展。采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟磺酸膜，使电池性能提高数倍。接着又采用铂炭催化剂代替纯铂黑，在电极催化层中加入全氟磺酸树脂，实现了电极的立体化。阴极、阳极与膜热压到一起

4、，组成电极-膜-电极“三合一”组件(membrane-electrode-assembly，MEA)。这种工艺减少了膜与电池的接触电阻，并在电极内建立起质子通道，扩展了电极反应的三相界面，增加了铂的利用率。不但大幅度提高了电池性能，而且使电极的铂担量降至低于0.5mg/cm2，电池输出功率密度高达0.5-2w/cm2，电池组的质量比功率和体积比功率分别达到700w/kg和1000w/L。除了具有FC的一般优点外，PEMFC还具有：1）室温下快速启动2）无电解质液流失3）比功率和比能量高4）寿命长。3.PEMFC的特点与用途3.1特点1）

5、分散电站；2）移动电源，是电动车、移动通讯和潜艇等的理想电源；3）也是最佳的家庭动力源。3.2用途PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少有两层构成：起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行的催化层。催化层扩散层电极结构示意图4.PEMFC的主要部件4.1电极功能：1）起支撑作用，为此要求扩散层适于担载催化层，扩散层与催化层的接触电阻要小；催化层主要成分是Pt/C电催化剂，故扩散层一般选炭材制备；2）反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应，因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布，有利于传质。4.1.1扩散层3）阳极扩散层收集燃料的电化

6、学氧化产生的电流，阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子，即扩散层应是电的良导体。因为FEMFC工作电流密度高达1A/cm2，扩散层的电阻应在m.cm2的数量级。4）PEMFC效率一般在50％左右，极化主要在氧阴极，因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良导体。5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保持。扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流，则是扩散层制备过程中最难的技术问题。carbonpapercarboncloth4.1.2催化剂的制备

7、与表征担载性催化剂催化剂：高分散的纳米级Pt颗粒担体：导电、抗腐蚀的乙炔炭黑Pt/C电催化剂胶体铂溶胶法离子交换法H2PtCl6直接还原法真空溅射法Pt-M/C电催化剂共沉淀法以Pt/C催化剂和过渡金属盐水溶液为原料制备（还原）真空溅射法Pt-M-HxWO3/C电催化剂1)制备复合担体2)表征相表征—XRD粒径分布—粒度分布仪粒度—TEM、由循环伏安曲线氢吸附峰面积求得比表面积—由电化学活性表面积求得它是PEMFC的最关键部件之一，直接影响电池的性能与寿命。质子交换膜应满足的要求：1）高的H+离子传导能力；2）在FC运行条件下，膜结构与

8、树脂组成保持不变，即具有良好的化学和电化学稳定性；3）具有低的反应气体渗透性，保证FC具有高的法拉第效率；4）具有一定的机械强度。4.2质子交换膜种类化学结构摩尔质量EW（g/mol)Nafion膜x=6~