燃料电池质子交换膜燃料电池详解.ppt

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1、质子交换膜燃料电池Protonexchangemembranefuelcell-----PEMFC主要内容1PEMFC分类及其工作原理2电极的分类及其制作3非氟聚合物质子交换膜1.质子交换膜燃料电池氢氧燃料电池-------hydrogenoxygenfuelcell直接甲醇燃料电池-------directmethanolfuelcell直接乙醇燃料电池--------directethanolfuelcell直接甲酸燃料电池---------directformicacidfuelcellPEMFC的优点工作温度低启动快能量密度高寿命长重量轻

2、无腐蚀性不受二氧化碳的影响工作噪声低,可靠性高内部构造简单,电池模块呈堆垒式层叠结构使得电池组组装和维护很方便Ag、Ni，催化剂价低高纯H2，低温运行，CO2、KOH，K2CO3150-220oC高温、余热利用率高100%磷酸、Pt催化剂唯一液体、水，无腐蚀性多孔Ni催化剂、600-700oC、透明液体电解质碳酸锂、碳酸钾碱性碳酸盐、腐蚀性1000oC、不需催化剂氧化锆、氧化钇、氧化钙电解质AFC：PAFC：MCFC：SOFC：PEMFC：稳定性（寿命）可用性（CO中毒）成本问题（膜和催化剂）开发性能优良、价格低廉的膜材料成为燃料电池的主要研究方

3、向PEMFC存在的问题：质子交换膜燃料电池的构造如右图示一个单电池质子交换膜电催化剂碳纤维纸扩散层外电路氢气氧气阳极阴极总反应：H2+1/2O2H2O膜外电路电解质2e2ePEMFC工作原理质子交换膜型PEMFC，反应式如下：H22H++2e-1/2O2+2H++2e-H2O1/2O2+2H2H2O阳极反应：阳极反应：总反应：由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电解质阳极以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂涂覆在碳纤维纸上，以氢或净化重整气为燃

4、料阴极以Pt/C为催化剂、空气或纯氧为氧化剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板重整气，CO、～10-4V/V60-100oC、～10-6V/VCO、Pt中毒失效electrolyteanodecathode燃料氧化剂未反应燃料未反应氧化剂空气/O2氢氧燃料电池直接甲醇燃料电池直接乙醇燃料电池直接甲酸燃料电池H2CH3CH2OHH+CH3CH2OHHCOOHCH3CH2OHH2CH3OHO2O2O2O2电解液CO260-90oC膜质子交换膜(CF2CF2)nCF2CFDupont公司生产的Nafion系列膜，m=1，Dow公司试制

5、高电导的全氟磺酸膜，m=0制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜O(CF2CF)mOCF2CF2SO3HCF3-SO2R→-SO3H优点：具有高化学稳定性和高质子传导率缺点：需要很高的水含量才能有足够的导质子能力,但是由于其吸水能力有限,需要连续对膜进行增湿,增加了燃料电池系统设计的复杂性;由于脱水,很难在高于100度以上操作,这限制了电池性能进一步提高和余热的充分利用用于直接甲醇燃料电池时,甲醇渗透率过高价格昂贵,且含有氟元素,降解时产生对环境有害的物质聚四氟乙烯：化学惰性、无毒。260oC以上、变性

6、350oC以上、分解F-、H2SiF6、Na2SiF6、HFNaF、少量、预防龋齿，20世纪10大公共健康成就之一大量、生成不溶CaF2、低血钙症4gNaF、0.2gNa2SiF6、致命电催化剂电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。特点：电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常化学反应低得多的温度下进行。例如在铂黑电催化剂上可

7、使丙烷于150-200oC完全氧化为CO2和水。PEMFC电催化剂的研发方向降低铂的载量提高铂的利用率开发非铂高催化活性的催化剂提高催化剂的抗CO中毒性能电化学反应必须在适宜的电解质溶液中进行，在电极与电解质的界面上会吸附大量的溶剂分子和电解质，使电极过程与溶剂及电解质本性的关系极为密切。这一点导致电极过程比多相催化反应更加复杂。O2的还原峰H2O的氧化分解H+的还原、H2析出H2的脱附、氧化PEMFC中催化剂电极的制备工艺：多孔气体扩散电极由扩散层和催化层组成----扩散层的作用是支撑催化层，收集电流，并为电化学反应提供电子通道，气体通道和排水

8、通道----催化层则是发生电化学反应的场所是电极的核心部分电极扩散层一般由碳纸或碳布制作厚度为0.2-0.3mm制备方法为：将碳纸与碳布