质子交换膜燃料电池

3.4.4质子交换膜燃料电池2021/10/10星期日1质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembrane,PEMFC)

1.

PEMFC的应用PEMFC不仅可应用在外太空，还可以应用于陆地车辆和潜艇。將PEMFC微型化，也可应用于便携式电子器材。Fuel-CellPoweredTransitBusesinChicago2021/10/10星期日2

HONDA

FCX-V4是美国EPA通过认证的第一辆燃料电池车(PEMFC)

续航力：430km极速：150km/h2021/10/10星期日3Spallino一家和Honda燃料电池轿车“FCX”2021/10/10星期日4德国212A级潜艇

2021/10/10星期日5应用在微型飞机上HornetMAV由

AeroVironmentInc.设计。第一架完全由PEMFC提供动力的UAV(无人飞机)。结构资料翼展:38cm

总重量:170g

功率输出:10W2021/10/10星期日62.质子交换膜燃料电池的工作原理阳极阴极质子交换膜扩散层和催化层阳极反应：H2＋2H2O－＞2H3O＋＋2e阴极反应：1/2O2＋2H3O+＋2e

－＞2H2O热量2021/10/10星期日7质子交换膜燃料电池的主要组成1双极板2质子交换膜3电催化剂单元燃料电池由三种基本元件：一个质子交换膜（两侧载有催化剂铂）两个电极（兼气体扩散层）、两个流场板（双极板）组成。2021/10/10星期日81质子交换膜燃料电池双极板集流、导电隔板，良好的导电体，抗腐蚀，导热性好支撑、要有一定的强度分割氧化剂与还原剂，具有阻气功能引导氧化剂和还原剂在电极表面流动，要有流场（蛇形流道、平行流道、交指流道、网格流场等）1）质子交换膜燃料电池双极板的功能和特点：2021/10/10星期日92）双极板的种类石墨板金属板复合双极板2021/10/10星期日10（1）无孔石墨板

由炭粉或石墨粉与可石墨化的树脂高温下制备。优点：化学稳定性好，电导率高，阻气性好。缺点：加工周期长，材质较脆，不易加工，价格较高。（2）注塑石墨板

主要采用石墨粉或炭粉与树脂、导电胶粘剂混合，注塑成形后高温烧结。优点：省略了机加工流场步骤，降低了成本，缩短了生产周期。缺点：高温过程容易形变。石墨板2021/10/10星期日11优点：比石墨具有更好的导电及导热性，具有极高的气体不透过性，良好的机加工特性。金属板缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、氧化铅、碳化硅等）。2021/10/10星期日12复合双极板综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：（1）金属基复合双极板；（2）碳基复合材料双极板。2021/10/10星期日13质子交换膜最早的质子交换膜是以碳氢为骨架的聚合物，如交联聚乙烯—双乙烯基苯磺酸和磺化酚醛树脂膜等。其结构中的C—H键易于断裂，聚合物不稳定，应用于电池堆时，寿命只有数小时。20世纪60年代中期，美国GE与Dupont公司合作，成功开发了现在仍得到广泛应用的全氟磺酸Nafion系列膜，并将其用于质子交换膜燃料电池，使电池的寿命提高到57000h。除Nafion系列膜外，目前已开发的全氟磺酸膜还有以下几种:Aciplex系列膜(日本AsahiChemical公司)、Flemion系列膜(日本AsahiGlass公司)、Dow膜(美国DowChemical公司)和BAM膜(加拿大Ballard公司)等。2021/10/10星期日141对质子交换膜的基本要求（1）高选择性离子导电；（2）化学稳定性好；（3）良好的力学性能；（4）热稳定性好；（5）反应气体的透气率低；（6）价格低廉。2质子交换膜的种类（1）全氟型磺酸膜（2）非全氟型磺酸膜2021/10/10星期日15全氟型质子交换膜由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成。Nafion系列膜的化学结构式2021/10/10星期日16膜电极总成膜电极总成通常由电极（又叫气体扩散）、催化剂层、电解膜层等组成铂微粒固定在相对较大的炭粉粒子上,催化剂一般为铂，目前，用量为0.2mg/cm2,2021/10/10星期日171.全氟型质子交换膜的优点：(1)高的化学稳定性；(2)高的机械强度及在高湿度下高的电导率；(3)低温下实现高的电流密度；(4)离子传导电阻小等。2.全氟型质子交换膜的缺点：(1)单体合成困难，成本高，废品难处理；(2)质子导电率严重依赖膜内水的含量；(3)温度升高会引起导电率下降、膜的化学降解；(4)用于甲醇燃料电池时，易发生甲醇渗漏，引起阴极催化剂中毒等。2021/10/10星期日18改性全氟磺酸膜增强型复合质子交换膜聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司）玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国JohnsonMatthery公司、武汉理工）高温型复合质子交换膜杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）无机氧化物/全氟磺酸复合膜（SiO2)阻醇型质子交换膜(直接甲醇燃料电池)等离子体蚀刻与钯溅射改性膜、PVDF-Nafion共混膜2021/10/10星期日19非全氟型磺酸膜部分氟化的质子交换膜

磺化的三氟苯乙烯共聚物（加拿大Ballard公司）有机氟化物/无机物共混膜

无氟化质子交换膜有机—无机复合质子交换膜2021/10/10星期日20质子交换膜燃料电池电催化剂电催化剂的作用：

降低反应的活化能，使电极反应在平衡电势附近以高电流密度发生。电催化剂的特点：（1）电催化活性高；（2）比表面积高；（3）导电性好；（4）稳定性好；（5）适当的载体。2021/10/10星期日211.阳极催化剂

H2在酸性环境中的阳极氧化反应为：H2+2H2O→2H3O+2e-一般认为它的具体途径如下(M代表电催化剂表面原子)：第一步H2+M→MH2第二步有两种可能的途径：

(1)MH2+M→MH+MHMH+H2O→M+H3O++e-

(2)MH2+H2O→MH+H3O++e-

MH+H2O→

M+H3O++e-1.1阳极催化剂的催化机理2021/10/10星期日221.2

CO对阳极催化剂的毒化作用

CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极化现象，使电池的性能严重下降。由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多都含有CO。解决CO毒化问题的途径主要有：（1）在燃料中加入氧化剂；（2）研制抗CO中毒的电催化剂。2021/10/10星期日231.3阳极催化剂的种类Pt黑Pt/C催化剂二元阳极催化剂Pt-Ru，Pt-Rh，Pt-Ir多元阳极催化剂PtRuX(X=Au、Co、Cu、Fe、Mo、Ni、Sn

、W)2021/10/10星期日242.阴极催化剂2.1阴极催化剂的催化机理O2的阴极还原“直接四电子”式：O2+4H++4e-

→

2H2O二电子式：O2+2H++2e-→H2O2

H2O2+2H++2e-→

2H2O在以Pt为电催化剂时，O2的还原反应是按四电子反应历程进行，其反应如下：O2+2M→

2MO2MO+4H＋+4e-→

2M+2H2O2021/10/10星期日252.2阴极催化剂的种类（1）Pt催化剂（2）Pt基合金催化剂（3）过渡金属大环络合物催化剂（4）其他氧还原催化剂2021/10/10星期日26汽车市场的变革2021/10/10星期日27燃料电池大客车2021/10/10星期日28燃料电池大客车布置2021/10/10星期日29混合动力燃料电池大客车原理2021/10/10星期日30燃料电池小客车2021/10/10星期日31电动车控制器2021/10/10星期日32矿物燃料制氢2021/10/10星期日33再生能源电解制氢2021/10/10星期日34加氢站设施2021/10/10星期日35使用氢燃料安全吗？2021/10/10星期日36思考题：试说明质子交换膜燃料电池的原理及用途。质子交换膜的种类有哪些，举例说明。

2021/10/10星期日37写在最后成功的基础在于好的学习习惯Thefoundationofsucces