燃料电池手册读后感

离子交换膜的发展
熔融挤出膜DuPont （ Nafion® No. 117） 虽然熔融挤出薄膜是规范，应用广泛，但行业正在转向溶液浇铸膜工艺，以降低成本和改进制造 生产效率。 膜技术的另一个进步是使用内部支撑层增强膜膜的机械性能，特别是使膜厚度减少，典型的是由 W.L. Gore制造的Primea 55和56系列膜。 膜电极组件MEA是燃料电池质子交换膜，催化剂和电极的组合，即电极可以铸造转移到膜上或 直接施加到膜上，这种组件可以实现低铂负载电极，减少成本。
催化剂层
与离子交换膜和多孔背衬层紧密接 触的是催化剂层 对于聚合物电解质燃料电池，催化 剂常使用贵金属Pt 低温燃料电池多使用Pt为催化剂， 高温燃料电池（MCFC SOFC）可 使用镍为催化剂
催化剂层与其粘合剂一体形成 电极。在任一情况下，催化剂 颗粒和交换膜的亲合程度对于 质子迁移率是十分关键的。粘 合剂执行多个功能。其中将层 状结构中的催化剂颗粒“固 定”，有助于电极的整体结构。 该结构与性能有直接关系。

水管理的解决
开发者设计了一个提供被动水控制 的替代板结构。通过两种机制除去 产物水： 1）通过多孔双极板将液态水输送 到冷却剂中 2）蒸发成反应物气流
该电池在基本设计上类似于具有膜， 催化剂，基板和双极板部件的其它 PEFC。然而，双极板的构造和组 成存在差异：其由多孔石墨制成。 在操作期间，孔隙填充有与冷却剂 流直接连通的液态水。产物水从阴 极通过孔流入冷却剂流（在反应物 和冷却剂流之间需要小的压力梯 度）。然后，冷却剂流中的水被输 送到储存器。通过多孔膜除去水导 致反应物流动没有任何障碍物（液 态水）。淹没的孔用于向进入的反 应物气体供水并加湿那些气体。这 防止膜的干燥，特别是在阳极。
Fuel cell handbook心得
燃料电池的工作原理
燃料电池的种类与基本特点

1 ）.聚合物电解质燃料电池（PEFC) 2 ）.碱性染料电池（AFC） 低温燃料电池 高温பைடு நூலகம்料电池


3 ）.磷酸燃料电池（PAFC）
4 ）.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 5 ）.固体氧化物燃料电池（SOFC）
聚合物电解质燃料电池的发展

PEFC在环境压力下使用没有强制空气流动，加湿或主动冷却的六电池堆栈的运行超过 25,000小时的验证。完整的燃料电池系统已经用于许多运输应用。对于固定应用，工厂 生产的住宅电力系统在无人值守情况下连续运行超过1,000,000 kWhrs。目前PEFC的发 展集中在催化剂，膜和双极板的成本降低和大量制造上边。
聚合物电解质燃料电池PEFC

也叫质子交换膜燃料电池，PEFC工作温度一般在80度左右，该燃料 电池中的电解质是离子交换膜（氟化磺酸聚合物或其它类似聚合物）。 优点：1.该燃料电池中唯一的液体是水，因此，腐蚀问题最小。2.工 作温度较低，启动速度较快。3.与SOFC（固体氧化物燃料电池一样）采用 固体电解质，不存在电解质移动的问题。4.没有运动部件，运行安静。 问题：1.需使用价格昂贵的Pt做催化剂，成本投入高。2.催化剂对CO 十分敏感。少量的CO也会使电池性能严重下降。3.离子交换膜工艺复杂， 对技术要求较高。

聚合物电解质燃料电池简介

PEFC叠层内的典型电池组件包 括： 1）离子交换膜 2）导电多孔背衬层 3）催化剂层 4）双极板，其通过流动通道 将燃料和氧化剂递送到反应位 点。 右图为典型的聚合物电解质燃 料电池的结构示意图。

离子交换膜
离子交换膜是聚合物电解质燃料电池的 核心部分 离子交换膜的功能包括： 1.提供导电路径，让阳离子或阴离子通 过，形成电流。 2.隔绝反应气体，以免氢气与氧气在电 极表面发生反应。
PEFC开发者
D.J. Wheeler, J.S. Yi, R. Fredley, D. Yang, T. Patterson Jr., L. VanDine, “Advacements in Fuel cell Stack Technology at International Fuel Cells,” International Fuel Cells (now UTC Fuel Cells), Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 4, 2001.
MEA（膜电极）技术
在PEFC商业化上已经取得了巨大进展， Gore Fuel Cell Technologies展示了 该公司最新的商业产PRIMEA®Series56 MEA，其已经运行了了超过15,000小时 右图为Primea 56 MEA在三个电流密度 下的耐久性测试结果
多孔背衬层
聚合物膜夹在两片多孔背衬介质之 间。多孔背衬层的功能包括： 1）充当气体扩散器 2）提供机械支撑 3）提供电子的电通路。
背衬层通常基于碳，并且可以是 布形式，无纺压制碳纤维构造， 或简单地是毡状材料。该层结合 有疏水材料，例如聚四氟乙烯， 聚四氟乙烯的功能是防止水“积 聚”在孔隙体积内，使得气体自 由地接触催化剂位点。此外，其 有助于阴极上的产物水去除，因 为其在背衬材料的通道内产生非 润湿表面。
聚合物电解质燃料电池的水管理

由于在低于100℃和大气压下操作，产生液态水。 关键的要求是保持电解质 中的高含水量以确保高离子电导率。 当在高电流密度（约1A / cm 2）下操 作时，保持高水含量是特别关键的，因为与水形成和分布相关的质量传输问 题限制了电池输出。 当膜完全饱和时，电解质的离子电导率较高。如果没有 足够的水管理，在水生产和除去水之间将发生不平衡。 研究发现如果有太多的水可用，电极可能淹没并且反应物可能被稀释，而如 果太少，则膜可能脱水。如果发生脱水，则膜对电极的粘附将受到不利影响。 电极和电解质膜之间的紧密接触是重要的，因为没有自由液体电解质形成导 电桥。在干燥条件下操作将严重影响膜寿命
对于聚合物电解质燃料电池， 设计提高铂的利用率，降低其 用量和寻找新的价格较低的非 贵金属催化剂成为了电催化剂 的研究目标与方向。
温度对聚合物电解质燃料电池的影响
低温运行（80℃）

高温运行（160℃）
PEFC的低操作温度具有优点和缺点。低温 PEFC开发使用新的离子交换膜聚苯并咪唑 （PBI）在160°C范围内的操作。较高的 操作是有利的，因为电池可以从环境条件 操作温度可以通过消除铂位点的CO吸留而 快速启动。另一方面，是含有一氧化碳的 消除CO中毒。此外，该操作方式提供更高 燃料流的缺点，因为碳将攻击铂催化剂位 点，掩盖催化活性和降低电池性能。80℃ 质量的热量以用于固定热电联产(CHP) 下仅允许几ppm的CO。由于CO影响阳极， 重整和转移的烃含有约1％的CO，所以还 需要消除燃料气体中的CO。低操作温度还 意味着从燃料电池仅可获得很少热量用于 吸热重整。
最初燃料电池中的有机基阳离子 交换膜构想由WILLIAM T. GRUBBS在1959年提出。最终发 展了全氟磺酸聚合物。 目前通 常使用的是由DU PONT公司研 制的离子交换膜（NAFION）， 它是通过在侧链上规则重复的磺 酸位点来获得离子传输特性。 在大多数情况下磺酸位点的数量 决定离子的导电性。 即使大部 分聚合物被氟化，赋予膜的主体 高度疏水的特性，磺酸位点依旧 是是亲水的。膜可以获得的水含 量的程度是与离子位点成正比， 结果是膜的导电性，气体渗透性 和机械性能由水含量决定。