高温质子交换膜

PEM：质子交换膜PEFMC：质子交换膜燃料电池

PBI：聚苯并咪唑mPBI：聚[2,2’-(间苯基-5,5’)-联苯并咪唑] ABPBI：聚2,5一苯并咪吟ABPBI DABA：3,4一二氨基苯甲酸SOPBI：磺化聚苯并咪唑

第一章引言

燃料电池与传统能源利用方式相比具有以下特点与优势：(1)能量转化效率高。(2)比能量或比功率高。(3)清洁、安静、污染小。(4)可靠性高。(5)适用性强。

质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池((PEMFC)是以一种聚合物膜即质子交换膜(PEM)作为固体电解质的燃料电池，在膜的两侧是电极(阴，阳极)。电极又可分为气体扩散层和催化剂层。工作时，纯氢通过气体扩散层进入催化剂层，H:在阳极失去电子变成H+, H+经质子交换膜到达阴极，与电子及O:结合生成水，完成导电过程。质子交换膜燃料电池，不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高，工作温度低，启动快，膜的耐腐蚀性强，使用寿命一长等优点。近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为了一种备受关注的清洁能源工艺。质子交换膜燃料电池具备方便易携带，自动产生能量，效率高等优点。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的关键部件。质子交换膜能够使质子从电池阳极转移到阴极。氢在催化作用下在阳极被氧化生成质子，质子从阳级转移到阴

极，在阴极和氧反应生成水并放出热。质子交换膜位于两个电极之间。质子交换膜须具备以下特性:易装卸;排列紧密;可以大批量生产;对于气体渗透反应具有很大的耐受性。

Nation膜是典型的在低温使用的质子交换膜。Nation膜具有多相结构:疏水相作为连续相，磺酸基团作为亲水基团。连续的疏水相作为膜的结构支撑，亲水相可以储存一定量的水。水在质子传导中起着至关重要的作用，促进质子从磺酸基分离，提供了大量的动态水合质子，来保持Nation膜的理想性能。为了保持膜的水合状态，反应气体都必须具备一定的湿度。

应用Nafion.膜或其它全氟磺酸膜的质子交换膜燃料电池有两个主要的局限。一是价格昂贵，另一个是在使用过程中必须保持充分的湿度来维持较高的质子传导率。为了保持高质子传导率，燃料气体(H2或空气)必须充分地进行水合。因此，湿度控制变得尤为重要，既要保持膜中含有充足的水份同时也要保证电极里的水不能太多。这同时也限制了工作温度必须低于100 0C，因为在100℃以上运行膜会严重脱水导致膜的导电性能迅速衰退。在自增湿膜方面的研究亦需要用纳米级铂或金属氧化物。

提高运行温度能够提升PEMFC的性能，原因如下:1)高温运行能提高CO的耐受能力:燃料电池在低温运行时，氢燃料的CO会使电池中的铂催化剂中毒，这使得传统的燃料电池中需要更高纯度的氢。而在高温，铂不易中毒，电池可以承受氢燃料中3%的CO而没有能量损失。2)高温运行符合电极动力学:可以使电极反应加快，这与阴极中

氧还原有关。3)高温运行有利于水分控制:低温时液体水若没控制好会浸没电极，而在100℃之上运行，则无需考虑这些。4)高温运行地有利于剩余热量的管理:高温使得剩余热的能量转化更为简单。

由于PEM在高温运行的种种优势，学者们进行了大量的关于高温PEMFC的研究工作。一方面，新型的能够在高温保持水份的全氟膜及其替代品被研制出来，比如一些新型的嵌段聚合物及纳米复合材料。另一方面，研发了其他种类的能够在高温运行的质子交换膜材料。

目前许多非氟膜被开发用来代替Nafion。膜。其中大多数的非氟膜都是具备良好热稳定性的磺化聚合物，比如聚矾(PSU )，聚醚枫(PES)，聚醚酮(PEK )，聚醚醚酮(PEEK)，聚苯硫醚(PPS)及聚酞亚胺(PI)等。磺化的聚苯并咪哇(PBI )，聚苯并啥哇(PBO)，聚苯并唾哇(PBT)等也被应用作质子传导材料。

然而，所有这些磺化膜，包括全氟，非氟，部分氟化膜都需要在运行中保持一定湿度来维持较高的质子传导率，因此，它们的运行温度依旧很低。近些年，磷酸掺杂聚苯并咪哇被广泛地研究用作燃料电池膜。聚苯并咪哇膜具备优异的性能可以在干燥的、高达200℃的条件下运行。

PEMFC关键组件

PEMFC由电催化剂，质子交换膜，电极，双极板组成。其中质子交换膜与阴阳极组成膜电极，PEMFC的燃料，除氢气以外，还可选用多样化的燃料，如醇、醛、酸、碳氢化合物。在PEMFC基础上，以

含碳燃料代替普遍采用的纯氢气，有利于PEMFC系统的推广与应用，而且氢气的大规模生产和贮运困难，补加不便，且价格较昂贵，严重阻碍了燃料电池系统商业化的步伐。研究者们一面在寻求解决上述问题的同时，一面在尝试使用其它燃料，目前，液态烃或甲醇是电动汽车燃料电池首选燃料。甲醇燃料的优越性在于:电化学活性高，可在电极上直接被氧化，室温下液态，易于携带与运输，高能量密度，价格便宜，廉价易得，属于可再生资源。

以甲醇为燃料的PEMFC可分为甲醇重整燃料电池(Methanol Reforming FuelCell, MRFC)和直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)两种。MRFC是指甲醇经重整制备出氢气，电池仍然以纯氢气为燃料的PEMFC，只是把制备氢气的装置与燃料电池整合在一起，这势必造成燃料电池的成本和质量的增加。在不久的将来，最有可能实现商业化的是聚合物电解质膜直接甲醇燃料电池(PEMDMFC)，简称为DMFC 。DMFC以其潜在的高效率、设计简单、内部燃料直接转换、加燃料方便等诸多优点吸引了各国燃料电池研究人员对其进行了多方面的研究。

直接甲醇燃料电池(DMFC)

直接甲醇燃料电池(DMFC)是将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转化为电能的一种发电装置，甲醇水溶液进入阳极催化层中，在电催化剂的作用下发生电化学氧化，产生电子、质子以及C02。其中电子经外电路传递至阴极，CO:从阳极出口排出，质子通过电解质膜迁移到阴极;阴极区内，O:在电催化剂的作用下，与阳极迁