燃料电池质子交换膜燃料电池详解ppt幻灯片

直接甲酸燃料电池 未反应 燃料
60-90oC
HCOOH
CO2
cathode 氧化剂
空气/O2
O2
O2
O2
O2
未反应 氧化剂
质子交换膜
( CF2 CF2 )n CF2 CF O (CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备
全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜
共健康成就之一
大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
电催化剂
电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应 得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。
特点：
电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双 电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的 分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能 大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常 化学反应低得多的温度下进行。
例如在铂黑电催化剂上可使丙烷于150-200oC完全氧化 为CO2和水。
PEMFC电催化剂的研发方向
降低铂的载量 提高铂的利用率 开发非铂高催化活性的催化剂 提高催化剂的抗CO中毒性能
H2的脱附、氧化
H2O的氧化分解
H+的还原、H2析出
O2的还原峰
电化学反应必须在适宜的电解质溶液中进 行，在电极与电解质的界面上会吸附大量 的溶剂分子和电解质，使电极过程与溶剂 及电解质本性的关系极为密切。这一点导 致电极过程比多相催化反应更加复杂。
PEMFC中催化剂电极的制备工艺：
多孔气体扩散电极 由扩散层和催化层组成
----扩散层的作用是支撑催化层，收 集电流，并为电化学反应提供电子通道， 气体通道和排水通道
----催化层则是发生电化学反应的场 所是电极的核心部分
电极扩散层一般
由碳纸或碳布制作 厚度为0.2-0.3mm
AFC： Ag、Ni，催化剂价低
PEMFC的优点 高纯H2，低温运行， CO2、KOH，K2CO3
工作温度低 启动快
PAFC： 150-220oC高温、余热利用率高 100%磷酸、Pt催化剂
能量密度高
PEMFC：唯一液体、水，无腐蚀性
寿命长 重量轻 无腐蚀性
MCFC： 多孔Ni催化剂、600-700oC、透 明液体电解质
阴极以Pt/C为催化剂、空气或纯氧为氧化 剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面 改性金属板为双极板
重整气，CO、～10-4 V/V 60-100oC、 ～ 10-6 V/V CO、Pt中毒失效
electrolyte
燃料 anoBiblioteka Baidue
电解液
氢氧燃料电池 H2
H+
直接甲醇燃料电池 CH3OH
膜
直接乙醇燃料电池 CH3CH2OH
开发性能优良、 价格低廉的膜材 料成为燃料电池 的主要研究方向
质子交换膜燃料电池的构造
如右图示一个单电池 质子交换膜 电催化剂 碳纤维纸扩散层
外电路
PEMFC工作原理
总反应：H2 + 1/2O2 H2O
外电路
2e
2e
电解质
膜 氢气
氧气
阳极
阴极
质子交换膜型PEMFC，反应式如下：
阳极反应： H2
2H++ 2e-
阳极反应： 1/2O2+2H++2e总反应： 1/2O2+2H2
H2O H2O
由于质子交换膜只能传导质子， 因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极， 而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。
以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电 解质
阳极以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂涂覆在碳 纤维纸上，以氢或净化重整气为燃料
质子交换膜燃料电池
Proton exchange membrane fuel cell-----PEMFC
主要内容
1
PEMFC分类及其工作原理
2
电极的分类及其制作
3
非氟聚合物质子交换膜
1. 质子交换膜燃料电池
氢氧燃料电池------- hydrogen oxygen fuel cell 直接甲醇燃料电池------- direct methanol fuel cell 直接乙醇燃料电池 --------direct ethanol fuel cell 直接甲酸燃料电池---------direct formic acid fuel cell
由于脱水, 很难在高于100度以上操作, 这限制了 电池性能进一步提高和余热的充分利用
用于直接甲醇燃料电池时, 甲醇渗透率过高 价格昂贵, 且含有氟元素, 降解时产生对环境有
害的物质
聚四氟乙烯：化学惰性、无毒。 260 oC以上、变性 350 oC 以上、分解
F-、H2SiF6、Na2SiF6、HF NaF、少量、预防龋齿，20世纪10大公
-SO2R → - SO3H
Dupont公司生产的Nafion系列膜，m=1， Dow公司试制高电导的全氟磺酸膜，m=0
优点：
具有高化学稳定性和高质子传导率
缺点：
需要很高的水含量才能有足够的导质子能力, 但 是由于其吸水能力有限, 需要连续对膜进行增湿, 增加了燃料电池系统设计的复杂性;
碳酸锂、碳酸钾碱性碳酸盐、 腐蚀性
不受二氧化碳的影响
SOFC： 1000oC、不需催化剂
工作噪声低, 可靠性高 氧化锆、氧化钇、氧化钙电解质
内部构造简单, 电池模块呈堆垒式层叠 结构使得电池组组装和维护很方便
PEMFC存在的问题： 稳定性（寿命） 可用性（CO中毒） 成本问题（膜和催化剂）
电极要求
高活性催化剂 质子通道 电子通道 反应气通道 生成水通道 热的良导体 一定机械强度 工作条件下稳定
降低 担持量
合理 分配
2.1 厚层憎水催化层电极
厚层憎水催化层电极工艺流程
四种传递通道
Pt/C 电催化剂
气体传递
PTFE
制备方法为：
将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液 (PTFE)进行憎水处理
用称重法确定浸入的PFTE量 将浸好PTFE的碳纸置于温度330-340度的烘箱
内进行热处理
使得均匀分散在碳纸的纤维上 达到优良的憎水效果
2. 电极的分类及其制作
厚层憎水催化层电极 薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极 双层催化层电极