質(zhì)子交換膜燃料電池(已修改)
2025-05-14 04:41 本頁面
【正文】 質(zhì)子交換膜燃料電池 1 工作原理 質(zhì)子交換膜型燃料電池 (Proton exchange membrane fuel cells， PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì) ， 鉑 /炭或鉑 釕 /炭為電催化劑 ，氫或凈化重整氣為燃料 ， 空氣或純氧為氧化劑 ，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板 。 下圖為 PEMFC的工作原理示意圖。 由圖可知 ， 構(gòu)成 PEMFC的關(guān)鍵材料與部件為電催化劑 、 電極 (陰極與陽極 )、 質(zhì)子交換膜和雙極板 。 PEMFC中的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池 。 陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng) : 該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達陰極 ， 氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達陰極 。 氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水 。 生成的水不稀釋電解質(zhì) ， 而是通過電極隨反應(yīng)尾氣排出 。 ?? ?? eHH 222OHeHO 22 2221 ??? ??OHOH 222 21 ??總的反應(yīng) ： 陽極反應(yīng)： 陰極反應(yīng) ： 發(fā)展簡史 20世紀 60年代 ， 美國首先將 PEMFC用于雙子星座航天飛行 。 該電池當(dāng)時采用的是聚苯乙烯磺酸膜 ， 在電池工作過程中該膜發(fā)生降解 。 膜的降解不但導(dǎo)致電池壽命的縮短 ， 且還污染了電池的生成水 ， 使宇航員無法飲用 。 其后 ， 盡管通用電器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜 ， 延長了電池壽命 ， 解決了電池生成水被污染的問題 ， 并用小電池在生物實驗衛(wèi)星上進行了搭載實驗 。 但在美國航天飛機用電源的競爭中未能中標(biāo) ， 讓位于石棉膜型堿性氫氧燃料電池 (AFC)， 造成 PEMFC的研究長時間內(nèi)處于低谷 。 1983年 ， 加拿大國防部資助了巴拉德動力公司進行PEMFC的研究 。 在加拿大 、 美國等國科學(xué)家的共同努力下 ， FEMFC取得了突破性進展 。 采用薄的 (50150?m)高電導(dǎo)率的 Nafion和 Dow全氟磺酸膜 ， 使電池性能提高數(shù)倍 。 接著又采用鉑炭催化劑代替純鉑黑 ， 在電極催化層中加入全氟磺酸樹脂 ， 實現(xiàn)了電極的立體化 ． 并將陰極 、 陽極與膜熱壓到一起 ， 組成電極 膜 電極“ 三合一 ” 組件 (membraneelectrodeassembly，MEA)。 這種工藝減少了膜與電池的接觸電阻 ， 并在電極內(nèi)建立起質(zhì)子通道 ， 擴展了電極反應(yīng)的三相界面 ，增加了鉑的利用率 。 不但大幅度提高了電池性能 ，而且使電極的鉑擔(dān)量降至低于 ， 電池輸出功率密度高達 ， 電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率分別達到 700w/kg和 1000w/L。 三 . 特點與用途 除了具有 FC的一般優(yōu)點外 ， PEMFC還具有： 室溫下快速啟動 無電解質(zhì)液流失 比功率和比能量高 壽命長 。 可用于分散電站 ， 移動電源 ， 是電動車 、 移動通訊和潛艇等的理想電源 ， 也是最佳的家庭動力源 。 四 . 電極 PEMFC的電極均為氣體擴散電極 。 它至少有兩層構(gòu)成：起支撐作用的擴散層和為電化學(xué)反應(yīng)進行的催化層 。 催化層 擴散層 電極結(jié)構(gòu)示意圖 （一）擴散層 功能： 1） 起支撐作用 ， 為此要求擴散層適于擔(dān)載催化層 ， 擴散層與催化層的接觸電阻要?。淮呋瘜又饕煞质?Pt/C電催化劑 ， 故擴散層一般選炭材制備； 2） 反應(yīng)氣需經(jīng)擴散層才能到達催化層參與電化學(xué)反應(yīng) ，因此擴散層應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布 ， 有利于傳質(zhì) 。 （ 3） 陽極擴散層收集燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生的電流 ， 陰極擴散層為氧的電化學(xué)還原反應(yīng)輸送電子 ，即擴散層應(yīng)是電的良導(dǎo)體 。 因為 FEMFC工作電流密度高達 1A/cm2， 擴散層的電阻應(yīng)在 m?.cm2的數(shù)量級 。 4） PEMFC效率一般在 50％ 左右 ， 極化主要在氧陰極 ， 因此擴散層尤其是氧電極的擴散層應(yīng)是熱的良導(dǎo)體 。 5） 擴散層材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)能在 PEMFC工作條件下保持 擴散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布是可以達到的 ， 但是 PEMFC擴散層要同時滿足反應(yīng)氣與產(chǎn)物水的傳遞 ， 并具有高的極限電流 ，則是擴散層制備過程中最難的技術(shù)問題 。 （ 二 ） 質(zhì)子交換膜 它是 PEMFC的最關(guān)鍵部件之一 ， 直接影響電池的性能與壽命 。 質(zhì)子交換膜應(yīng)滿足的要求： 1） 高的 H+離子傳導(dǎo)能力； 2） 在 FC運行條件下 ， 膜結(jié)構(gòu)與樹脂組成保持不 變 ， 即具有良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性； 3） 具有低的反應(yīng)氣體滲透性 ， 保證 FC具有高的法 拉第效率； 4） 具有一定的機械強度 。 目前使用的主要是 Du Pont杜邦公司的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜 ， 即 Nafion 膜 ， 售價高達$500~800/m2。 因此 ， 開發(fā)性能優(yōu)良的交換膜是當(dāng)前研究的熱點之一 。 全氟磺酸型質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子必須要有水存在才行 ， 其傳導(dǎo)率與膜的含水率呈線性關(guān)系 。 實驗表明 ， 當(dāng)相對濕度小于 35%時
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