燃料电池质子交换膜燃料电池.ppt

质子交换膜燃料电池Protonexchangemembranefuelcell-----PEMFC1.质子交换膜燃料电池PEMFC的优点稳定性（寿命）可用性（CO中毒）成本问题（膜和催化剂）质子交换膜燃料电池的构造氢气质子交换膜型PEMFC，反应式如下：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质子交换膜(CF2CF2)nCF2CF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电催化剂PEMFC电催化剂的研发方向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。PEMFC中催化剂电极的制备工艺：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：将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)进行憎水处理用称重法确定浸入的PFTE量将浸好PTFE的碳纸置于温度330-340度的烘箱内进行热处理使得均匀分散在碳纸的纤维上达到优良的憎水效果2.电极的分类及其制作厚层憎水催化层电极薄层亲水催化层电极超薄催化层电极双层催化层电极高活性催化剂质子通道电子通道反应气通道生成水通道热的良导体一定机械强度工作条件下稳定2.1厚层憎水催化层电极Pt/C电催化剂PTFENafion树脂碳纸传统工艺，技术成熟大多采用催化层/扩散层憎水，利于生成水排出薄层亲水电极的制备工艺流程加入一定比例憎水剂（粘结剂）和造孔剂Nafion含量（质量比）对电池性能的影响经过改进薄层亲水电极与传统工艺电极性能比较薄层亲水催化层电极特点真空等离子体溅射示意图Catalystlayer真空溅射电极特点1.气体扩散层2.外层催化层：Pt－Ru/C厚层憎水氧化CO/H23.内层催化层：Pt/C亲水薄层氧化纯H24.Nafion膜单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（纯氢燃料）单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（H2+50ppmCO）展望非氟聚合物质子交换膜的研究非氟聚合物质子交换膜研究背景非氟聚合物质子交换膜的分类非氟聚合物质子交换膜的研究现状非氟聚合物质子交换膜的发展趋势质子交换膜应具备的条件优点：良好的化学稳定性；较高的质子电导率；缺点：价格昂贵；500～800$/m2玻璃化温度较低不适合高温操作；F污染；优点：价格低廉；玻璃化温度较高适合高温操作；机械强度高；缺点：抗氧化性差易降解非氟聚合物质子交换膜分类聚合物均质膜取代基磺化的聚合物膜（二）聚合物/纳米无机粒子复合体系（三）聚合物/聚合物复合体系聚苯乙烯（PS）60年代初用于美国的GE公司研制空间电源近年来，对非氟质子膜进行离子化处理使其具有导质子性增强膜的研究进展由浸渍方法制成的聚苯并咪唑（PBI）/H3PO4膜在高温时具有良好的电导率，水的电渗系数几乎为零，电池可以在高温、低湿度气体条件下操作温度可达190℃（高温膜的研究）PBI质子电导率与浸酸种类、浓度、浸渍时间有关:H2SO4>H3PO4>HNO3>HClO4>HCl近年来报道利用固体酸化合物（CsHSO4、CsH2PO4）作为PEMFC的膜材料，这些固体酸在室温下为有序的氢键排列结构，加热后它的结构变为无序，当温度高到一定值时，质子传导率增加2～3个数量级（固体酸膜）非氟聚合物质子交换膜降解机理的研究非氟质子交换膜降解机理解决方法非氟质子交换膜发展方向