质子交换膜燃料电池

二O一O年十一月,湖南大学,陈惠,质子交换膜燃料电池,不可再生能源资源日趋枯竭，环境污染日益严重。人类社会的可持续发展正面临严峻挑战。发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成了十分紧迫的任务。质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术就是这样一种绿色能源技术，它使用可再生的能源资源氢气，可实现零排放。,研究背景,21世纪将是氢能的世纪！,质子交换膜燃料电池是一种不经过燃烧，直接将燃料氢与氧反应的化学能转换成电能的一种发电装置,PEMFC简介,PEMFC简介,与内燃机比，质子交换膜燃料电池的优点有：能量转换效率高（不受卡诺循环限制）；零污染（反应产物为纯净水）；燃料氢来源广泛；结构简单、维护方便（无机械运动部件）；,PEMFC简介,与锂离子电池比，质子交换膜燃料电池的优点电能储量是锂离子电池的10倍；能大电流放电；安全性高；更适合环保；适用范围更广。,质子交换膜燃料电池工作原理图,PEMFC单元电池结构,单元燃料电池由三种基本元件组成：质子交换膜气体扩散层双极板,PEMFC实物及原理图,PEMFC的应用,PEMFC的主要应用领域可分为以下三大类：1）用作便携电源、小型移动电源，适用于军事、通讯、计算机等2）用作交通工具动力，如摩托车、汽车、火车、船舶等3）用作分散型电站，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站,PEMFC的应用,燃料电池发电站,燃料电池小汽车,燃料电池笔记本,燃料电池手机,质子交换膜燃料电池具有重要的应用前景，目前阻碍其商业化应用的主要问题是成本太高！,1.1质子交换膜燃料电池双极板,双极板的主要功能有：(1)分配电池中的燃料和氧化剂；(2)分离电池组中的单电池；(3)传导电流；(4)传输生成水、湿气；(5)冷却电池组。双极板的要求有:(1)高的电导率和导热系数；(2)耐腐蚀，包括5-85的外部大气环境及65-85、0.2MPa的电池内部环境下的耐腐蚀能力；(3)低的透气率；(4)重量轻；(5)生产成本低。,双极板的实例图,双极板的流场形式,基本流场形式：蛇形流道、平行流道、平行蛇形流道、交指流道、螺旋流道和网格流道等,其它流场,双极板种类,石墨板金属板复合板,石墨板,传统的双极板材料是高纯度的电导石墨，一般采用石墨粉、粉碎的焦碳与可石墨化的树脂或沥青混合，在石墨化炉中严格按照一定的升温程序，石墨化，再经切割和研磨，制备厚度为25mm的石墨板，机加工共用孔道和用电脑刻绘机在其表面刻绘需要的流场。这种石墨双极板的制备工艺不但复杂、耗时、费用高，而且难以实现批量生产。,金属板,金属不仅强韧性好，而且机械加工性能、导电性、导热性、致密性均较好，可以用来制作很薄的PEMFC双极板。但金属板存在腐蚀，腐蚀金属离子对催化剂产生毒化作用，金属离子还与质子交换膜发生离子交换，金属板表面腐蚀形成钝化层，使电极与双极板间的接触电阻增大，降低电池输出功率。,复合板,结构复合：采用金属作为分隔板，边框采用塑料、聚砜、碳酸酯等，流场用炭板或石墨板，结合了石墨板和金属板的优点。材料复合：碳/聚合物复合材料的填料一般为导电石墨，聚合物一般为热塑性(如聚丙烯、聚偏氟乙烯)或热固性有机物(酚醛树脂)。这种材料不仅在成型的同时形成流场，简化生产工艺，而且便于进行大规模生产，减低双极板的生产成本。,2.2质子交换膜,基本要求：电导率高（选择性的离子导电面非电子导电）化学稳定性好（耐酸碱和抗氧化还原能力）热稳定性好良好的力学性能（强度和柔韧性）反应气体的透气率低水的电渗系数小作为反应介质要有利于电极反应价格低廉,质子交换膜,最早是20世纪60年代初美国通用电器公司研制的，如聚苯甲醛磺酸、致辞苯乙烯磺酸PSSA20世纪60年代Dupont开发了全氟型磺酸（PFSA）膜，即为后来的Nafion系列产品近年来主要是Nafion膜进行改进：1、改性的全氟型磺酸膜；2、非全氟的磺酸膜；3、通过酸碱络合形成的高分子质子交换膜,全氟型磺酸膜性质,极高的化学稳定性很高的质子电导率作为电解质还充当电极反应的介质，铂催化剂在膜中的催化活性高高的机械强度和低的气体透气率价格昂贵缺水是电导率很低,使用全氟膜的燃料电池存在的问题,水字处理问题一氧化碳的中毒效应冷却和热的回收利用,全氟型磺酸膜的改性,用非水或低挥发性溶剂溶胀的全氟型磺酸膜含聚四氟乙烯的超薄膜含有吸湿性氧化物的复合膜含有固体无机质子导体的复合膜,非全氟型磺酸膜及其复合膜,非全氟高分子材料的类型非全氟高分子材料的磺化非全氟型磺酸膜的性质有机无机复合膜,酸碱高分子膜,有两种方法：碱性聚合物与无机酸的络合反应制备膜酸性聚合物和碱性聚合物形成的混合膜,酸搀杂的PBI膜,性能：PBI（聚苯并咪唑）是热稳定性非常好的耐热聚合物，具有良好的化学稳定性。经酸或碱搀杂后，PBI膜具有良好的质子导电性能。制备：PBI溶于强酸、强碱有有限的几种有机溶剂中采用溶液浇注制膜,2.3质子交换膜燃料电池电催化剂,催化剂必须具备以下特点：电催化活性高比表面积高导电性能好稳定性能好适当的载体,电催化剂的制备方法,胶体法化学还原法浸渍法Adams法离子交换金属络合物胶体法真空溅射法高能球磨法,电催化剂的表征方法,透射电子电镜分析：观测负载型催化剂中金属粒子的形貌X射线衍射分析：测定金属粒子的平均尺寸X射线光电子能谱分析：表征Pt及Pt基催化剂的表面组成与元素状态,催化剂的电化学测试,评价燃料电池催化剂电催化活性与稳定性的电化学方法主要有：循环伏安法（CV）线性电势扫描（LSV）恒电流（CC）恒电势（CP）电化学阻抗谱（EIS）,膜电极（MEA）的制备,膜电极的组成：质子交换膜电催化剂气体扩散层,膜电极的特性,最大限度的减小气体的传输阻力，使反应气体顺利由扩散层到达催化层发生电化学反应，须具备适当的疏水性。形成良好的离子通道，降低离子传输阻力，能在催化层内建立质子通道。形成良好的电子通道。保证良好的机械强度及导热性。具有高的质子传导性能很好隔绝反应气体互窜，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。,扩散层材料具有的功能及其要求：,扩散层起到支撑催化层的作用，要求其适合支撑催化层，扩散层与催化层的接触电阻小。气体和水通道的作，扩散层应具备适宜的孔隙和孔分布，有利于传质。电子通道的作用，要求扩散层是电的良导体，并在横向及纵向均要保持较好的电阻平行性。热的传输和分配作用，要求有较好的热传输和分配的能力。有较强的耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的能力。,扩散层的性能表征方法,电导率机械特性厚度、孔隙率及孔尺寸分布流体渗透性表