燃料电池论文

质子交换膜燃料电池的研究开发及应用

学院: 化学化工学院

专业：化工与制药

年级：2009级

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学号：************

指导老师：赵彦春教授

质子交换膜燃料电池的研究开发及应

摘要: 介绍了国内外研究质子交换膜燃料电池的整体现状及水平,从电催化剂、膜电极及其制备工艺、质子交换膜等几个方面,综述了质子交换膜燃料电池在材料及部件方面取得的成绩及研究现状,概述了质子交换膜燃料电池目前在电动车、船舶、移动电源等方面的应用情况。提出了我国质子交换膜燃料电池的发展方向。

关键词: 质子交换膜燃料电池电池材料部件研究开发

燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其具有效率高、污染小、建厂时间短、可靠性及维护性好等优点,被誉为是一种继水力发电、火力发电、核电之后的第四代发电技术[ 1 ]。其中质子交换膜燃料电池( PEMFC) 以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题,具有能量转换效率高、无污染、可室温快速启动、寿命长和功率密度高等特点,在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景,尤其是电动车的最佳驱动电源。

质子交换膜燃料电池的研究工作在国外开展较早,起于20世纪60 年代,目前已处于样机研制并向产业化发展,由电堆研究向系统开发发展的阶段[ 2 ]。我国对质子交换膜燃料电池的研究开展于20 世纪90 年代中期,1997 年原国家科委批准了“燃料电池技术”为国家“九五”计划中重大科技攻关项目之一,其中PEMFC 为主要研究项目[ 3 ]。目前PEMFC 已由基础性研究拓展至PEMFC 系统和样机的研制,有望在不远的将来取得可喜成果。

1 质子交换膜燃料电池的整体研究现状及水平

我国对质子交换膜燃料电池的研究工作基本上始于20 世纪90 年代中期,最近两年几个研究单位在质子交换膜燃料电池研究方面取得了巨大的成功。北京理工大学经过几年的探索,在膜电极制备、反应条件控制、反应物和产物流程设计及电池堆的密封性能等方面都取得了显著的进展,在最新几年开始在单电池试验的基础上进行组堆试验,1999 年也已成功组装了电动车用PEMFC 石墨电池堆[ 4 ]。电池堆运行时的平均功率为50W ,峰值功率可达70W。自组装后电池堆稳定运行半年以上性能仍然良好。

中国科学院大连化学物理研究所从1993年开展质子交换膜燃料电池工作的研究[ 5 ],他们于1999 年成功组装了35 对千瓦级质子交换膜燃料电池组[ 6 ] ,该电池组的主要特点是工作温度无须严格控制,电池组可在室温至100 ℃间正常工作。室温启动性能好,电池无须预热升温。

2001年大连化学物理所研制的5～10 kW电池组的输出性能已超过加拿大Bal2lard公司研制的MARK5(5kW)和MARK 513(10kW) ,接近该公司20世纪90年代后期研制MARK700(25～30kW)电池组的性能。大连化学物理所在国际上首创薄金属板改性制备双极板独特工艺,与碳双极板相比更适于批量生

产。其千瓦级质子交换膜燃料电池技术已经成熟,电池组的性能已达到国际先进水平,部分技术已达国际领先水平,具备了商业开发的条件。

由于质子交换膜燃料电池具有高功率密度、快速启动能力、结构简单等特性,美国能源部(DOE)已选择将其作为主导技术进行发展[ 7 ]。由美国三大汽车公司(福特、通用和克莱斯勒) 组成的PNVG在美国能源部的资助下开展质子交换膜燃料电池的研究,其主要目标之一是研制中型客用电动汽车。德国柏林在2000年年底建成了欧洲首座250kW质子交换膜燃料电池电站,该电站由加拿大Ballard 公司与其合作者ALSTOM 提供,被认为是质子交换膜燃料电池技术在欧洲商业化的关键一步[ 8 ]。质子交换膜燃料电池技术在国外发展已相当成熟,目前已走向商业化应用阶段。

2 质子交换膜燃料电池材料及部件的研究现状

质子交换膜燃料电池制备的关键技术已经成熟,但是限制其商业化的最大障碍是其制作成本太高,包括电催化剂、电极和电解质膜等三个方面。为降低电极成本,须降低电极的载铂量,提高电催化剂的利用率。目前,国内外在研究电池部件方面作了大量工作。

2. 1 电催化剂

质子交换膜燃料电池的电极催化剂包括阳极催化剂和阴极催化剂。对于阴极催化剂,研究重点一方面是改进电极结构,提高催化剂的利用率;另一方面是寻找高效价廉的可替代贵金属的催化剂。阳极电催化剂的选用原则与阴极催化剂相似。但阳极催化剂应具有抗CO中毒能力,因为质子交换膜燃料电池对燃料气中的CO非常敏感。质子交换膜燃料电池多采用铂作为电催化剂,它对于两个电极反应均有催化活性,而且可长期工作。

目前研究最多的阳极抗CO毒化的电催化剂有Pt2Ru 和Pt2Sn二元合金。这些催化剂既包括二元Pt2Mo合金和三元合金如Pt2Ru2Mo和Pt2Co2Mo,同时也包括含钼氧化物的铂基复合催化剂。

为了提高质子交换膜燃料电池中电催化剂的活性,减少铂的用量,降低成本,近年来对新型催化剂的研究工作日益增多。中科院长春应用化学研究所对碳载铂的二元合金作为氧还原催化剂的研究作了大量工作[ 9 ]。他们采用松木碳为载体,水合肼为还原剂,通过化学还原法制备了Pt2Mn/C催化剂,并通过涂敷和热压制得催化剂2Nafion 膜电极。与他们以前制备的Pt/C和Pt2Cr/C催化剂相比,Pt2Mn/C催化剂以氧的电还原活性更高。同时Pt2Mn/C催化剂经热处理后性能有较大提高。

寻求铂以外的价格较低的电催化剂,是质子交换膜燃料电池电催化剂研究的一个重要方向。目前,非铂系电催化剂研究大多集中在氧还原阴极电催化剂。在可能的替代催化剂中,较为引人注目的是热解或非热解的过渡金属大环化合[ 10 ]。

2. 2 膜电极及其制备工艺

质子交换膜燃料电池的电极是一种多孔气体扩散电极,一般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。

大连化学物理所从1994 年开始电极的研究工作,到1998年采用薄层催化层电极结构,研制成功的电极载铂量已降至0.08mg/cm2 [ 11 ]，这种电极催化层厚度约为5μm ,利用率为30%。采用此电极与Nafion112膜组装的单电池,性能可达750mA/