ch3 燃料电池3-─质子交换膜燃料电池解析ppt课件.ppt

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1、燃料电池王志成─质子交换膜燃料电池PEMFC工作原理与结构PEMFC的发展简史PEMFC的特点与用途PEMFC的主要部件PEMFC单电池与电池组PEMFC电池组失效分析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

2、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

3、邦公司的全氟磺酸膜，延长了电池寿命，解决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

4、化。阴极、阳极与膜热压到一起，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

5、途3.1特点1）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

6、电化学氧化产生的电流，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催化剂的制备与表征担

7、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，膜结构与树脂组成保持不变，即

8、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