质子交换膜燃料电池-

,班级：理研1407,时间：2014.10.08,燃料电池,质子交换膜燃料电池,主讲人：闫志伟,1,FC简介,1,2,3,4,PEMFC结构,PEMFC工作原理,参考文献,2,I,燃料电池(FC)简介,1.定义 燃料电池是一种直接将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应高效地转化为电能的发电装置。,2特点,3,I,燃料电池(FC)简介,3.FC分类,4,PEMFC工作原理,阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应,电子经外电路到达阴极氢离子则经质子交换膜到达阴极,生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。,5,PEMFC结构,质子交换膜型燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells),PEMFC,全氟磺酸型质子交换膜为电解质膜,铂/炭或铂-钌/炭,起分散燃料和氧化剂以及收集电流的作用,起集流、分隔氧化剂和还原剂；传导电流；冷却电池组；传输生成的水、湿气,6,PEMFC结构,7,3.1质子交换膜,要求,物理性能,化学性能,电化学性能,厚度，溶胀度，含水率，机械稳定性,耐酸碱性和耐氧化性，,导电性；选择透过性能,8,3.2,质子交换膜的分类,9,3.2.3,全氟型磺酸膜,全氟质子交换膜的结构,EW(Equivalent weight) 表示1mol磺酸基团的树脂质量，EW值越小，树脂的电导越大，但膜的强度越低。,10,水合Nafion的反胶囊离子簇微相模型,反胶囊粒子团簇,固定电荷点,离子膜的微观结构及其传质关系示意图,离子交换膜主要由高分子母体,即疏水的碳氟主链区、离子链和离子簇间形成的网络结构构成。,由于离子簇的周壁带有负电荷的固定离子,而各离子簇之间的通道短而窄,因而对于带负电且水合半径较大的OH-离子的迁移阻力远远大于H+,这也正是离子膜具有选择透过性的原因。,全氟型磺酸膜,3.2.3,11,全氟型磺酸膜,3.2.3,全氟磺酸膜的阴离子磺酸根通过醚支链固定在全氟主链上,最大限度地减少阴离子在铂催化剂上的吸附,具有阳离子选择透过的特性。,氟原子强烈的吸电子作用增加全氟聚乙烯磺酸的酸性,在水中完全解离,其酸性与硫酸相当,进而增强PEM的离子电导。,由于C一F键键能(485KJ/mol)比一般的C一H键键能高出84KJ/mol,全氟PEM具有较好的热稳定性和化学稳定性,富电子的氟原子紧密地包裹在碳碳主链周围,保护碳骨架免于电化学反应自由基中间体的氧化,因此全氟磺酸膜具有较好的电化学稳定性。,12,3.3,扩散层和催化层,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。,电极结构示意图,13,扩散层,3.3.1,功能和要求,14,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,3.3.1,扩散层,15,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,3.3.2,催化剂的制备,16,1) 制备,Pt/C电催化剂,离子交换法,H2PtCl6直接还原法,真空溅射法,共沉淀法,胶体铂溶胶法,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/C电催化剂,Pt-M-HxWO3/C电催化剂,复合担体,催化剂的制备,3.3.2,17,2) 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,催化剂的表征,3.3.3,18,3.4,电池组的水管理,由于膜的质子（离子）导电性与膜的润湿状态密切相关，因此保证膜的充分湿润性是电池正常运行的关键因素之一。,质子交换膜内的水传递过程有三种传递方式：,19,主要参考文献,1 Carollo A, Quartarone E, Tomasi C, et al. Developments of new proton conducting membranes based on different polybenzimidazole structures for fuel cells applicationsJ. Journal of power sources, 2006, 160(1): 175-180.2 倪红军,汪兴兴,黄明宇等.质子交换膜燃料电池及其双极板的研究J.材料科学与工艺,2008,16(2):250-254.DOI:10.3969/j.issn.10050299.2008.02.026.3吕海峰,程年才,木士春等.质子交换膜燃料电池Pd修饰Pt/C催化剂的电催化性能J.化学学报,2009,67(14):1680-1684.4张克军. 质子交换