离子交换膜及其电化学应用 ppt课件
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阳极：H2=2H++2e阴极：1／2O2＋2H＋＋2e-=H2O 总反应：H2+1/2O2 =H2O
碱性-阴离子交换膜
11
直接甲醇燃料电池（DMFC）
酸性-阳离子交换膜
阳极：CH3OH=2H++CH2O+2e阴极：1／2O2＋2H＋＋2e-=H2O 总反应：H2+1/2O2 =H2O
碱性-阴离子交换膜
电极：多孔碳材料等
隔膜：离子交换膜，阴/阳离子
8
充电容量约~20Wh/L
采用阴、阳离子交换膜，传递的离子种类不同
阳离子交换膜
阴离子交换膜
9
1.2 燃料电池（Fuel Cell，FC）
• FC is a generator
Fuel cell function on the same principles as batteries except the reactants and products can continuously be added and removed from the system.
阳极：CH3OH＋6OH-→CO2＋5H2O＋6e阴极：3/2O2＋3H2O＋6e-→6OH总反应： CH3OH＋3/2O2→CO2＋2H21O2
1/2O2
H2 2H+ H2O
质子交换膜
Advantages: High conductivity (~100mS/cm2) Thermal & chemical stable ~100C
使用锂电源的手机与手提电脑
锂是密度最小的金属，用锂作为电池的
负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比
较，使用寿命大大延长。
5
安全阀 隔膜
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极 • 持有电解液
电解液
负极
材料例：
正极
负极：多用石墨、钛酸盐
正极：锂铁磷酸盐
电解液：高氯酸锂、四氯 铝化锂
Li+ + 6C + e
LiC6
Plug Power 7 kW Residential PEM System
Chrysler Fuel Cell System for a C19ar
Fueling a Hydrogen Car
Al/C composite tanks for storage of H2 at 350 bar
Fueling NECAR 4 from hydrogen station
Reduced oxidant (H2O)
Solution containing substrate
electrode
输出功率密度提高（~ 0.3 W/m2 ） 14
1.2 Fuel Cell History
15
Operating Temp. (K) 303-353 373-493 253-373 923-1123 973-1273
• Revised process of water electrolysis
2H+
H2
2H+
1/2O2
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极反应物 • 传递离子
Байду номын сангаас
H2O
阳极：H2=2H++2e阴极：1／2O2＋2H＋＋2e-=H2O 总反应：H2+1/2O2 =H2O
10
酸、碱性条件下工作的燃料电池
酸性-阳离子交换膜
Problems: High methanol crossover Noble catalysts
阴离子交换膜
Advantages: Low methanol crossover Non-noble catalysts
Problems:
Low conductivity (~50mS/cm2)
Less thermal & chemical stable
2
关注电化学过程中的两类电池隔膜
（1）非传递性膜 隔开阴、阳两极
（2）离子交换膜 隔开阴、阳两极电解质，传导功能离子
3
1.1 Chemical batteries
化学电源（又称电池）
是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化 学反应，消耗某种化学物质，输出电能。
一次电池
二次电池
发电机
4
非传导性膜实例 锂电池（属于二次电池）
LiMnO2 MnO2 + Li6+ + e
摇椅式电池：充电时锂离子嵌入负极碳材料，放电时锂离子脱嵌。
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极 • 持有电解液
电解液：
超级电容器（新型储能器件）H2SO4或KOH水溶液
• 双电层 • 赝电容
聚丙烯碳酸酯+离子液体等非水体系 电极：多孔碳材料，金属氧化物/聚合物等
特点：快速充放电~min，循环次数高~万次，充电容量约~10Wh/L或~10Wh7/kg
传递性隔膜实例
Redox flow battery（液流电池，属于二次电池，大规模储能）
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极 • 传递离子
电解液：水系/有机体系
全钒/1.25V，铁铬/1.18V，多硫化钠/溴/1.355V，锌/溴/1.9V
16
• 燃料电池组件---单电池
HEMFC单电池的结构图
17
• 燃料电池组件---电堆
18
PEMFC
GE PEM fuel cell from Gemini 71QukWieteProartnadblceleaner than a diesel generator,
but larger and more complex.
~60C
13
13
微生物燃料电池Mcrobial Fuel Cell (MFC) Single chamber reactor
Anode Fuel (wastes)
load e-
H+
质子交换膜 e-
Cathode
Oxidant (O2)
bacteria
Oxidation products
(CO2)
Bacteria growing on
20
21
Miniature PEM Fuel Cells
美国DAPAR, 2003
“大黄蜂-I” 燃料电池无人飞行器
东芝公司开发的用于PDA 的微型直 接甲醇燃料电池，连续工作40h
电化学过程中的离子交换膜
Tel： Email：
1
Contents
1. Examples of Electrochemical process 1. 1.1 Chemical Batteries 2. 1.2 Fuel Cells 3. 1.3 Hydrogen pump/reactor
2. Ion exchange membranes 2.1 Characteristics 2.2 Preparation
碱性-阴离子交换膜
11
直接甲醇燃料电池（DMFC）
酸性-阳离子交换膜
阳极：CH3OH=2H++CH2O+2e阴极：1／2O2＋2H＋＋2e-=H2O 总反应：H2+1/2O2 =H2O
碱性-阴离子交换膜
电极：多孔碳材料等
隔膜：离子交换膜，阴/阳离子
8
充电容量约~20Wh/L
采用阴、阳离子交换膜，传递的离子种类不同
阳离子交换膜
阴离子交换膜
9
1.2 燃料电池（Fuel Cell，FC）
• FC is a generator
Fuel cell function on the same principles as batteries except the reactants and products can continuously be added and removed from the system.
阳极：CH3OH＋6OH-→CO2＋5H2O＋6e阴极：3/2O2＋3H2O＋6e-→6OH总反应： CH3OH＋3/2O2→CO2＋2H21O2
1/2O2
H2 2H+ H2O
质子交换膜
Advantages: High conductivity (~100mS/cm2) Thermal & chemical stable ~100C
使用锂电源的手机与手提电脑
锂是密度最小的金属，用锂作为电池的
负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比
较，使用寿命大大延长。
5
安全阀 隔膜
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极 • 持有电解液
电解液
负极
材料例：
正极
负极：多用石墨、钛酸盐
正极：锂铁磷酸盐
电解液：高氯酸锂、四氯 铝化锂
Li+ + 6C + e
LiC6
Plug Power 7 kW Residential PEM System
Chrysler Fuel Cell System for a C19ar
Fueling a Hydrogen Car
Al/C composite tanks for storage of H2 at 350 bar
Fueling NECAR 4 from hydrogen station
Reduced oxidant (H2O)
Solution containing substrate
electrode
输出功率密度提高（~ 0.3 W/m2 ） 14
1.2 Fuel Cell History
15
Operating Temp. (K) 303-353 373-493 253-373 923-1123 973-1273
• Revised process of water electrolysis
2H+
H2
2H+
1/2O2
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极反应物 • 传递离子
Байду номын сангаас
H2O
阳极：H2=2H++2e阴极：1／2O2＋2H＋＋2e-=H2O 总反应：H2+1/2O2 =H2O
10
酸、碱性条件下工作的燃料电池
酸性-阳离子交换膜
Problems: High methanol crossover Noble catalysts
阴离子交换膜
Advantages: Low methanol crossover Non-noble catalysts
Problems:
Low conductivity (~50mS/cm2)
Less thermal & chemical stable
2
关注电化学过程中的两类电池隔膜
（1）非传递性膜 隔开阴、阳两极
（2）离子交换膜 隔开阴、阳两极电解质，传导功能离子
3
1.1 Chemical batteries
化学电源（又称电池）
是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化 学反应，消耗某种化学物质，输出电能。
一次电池
二次电池
发电机
4
非传导性膜实例 锂电池（属于二次电池）
LiMnO2 MnO2 + Li6+ + e
摇椅式电池：充电时锂离子嵌入负极碳材料，放电时锂离子脱嵌。
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极 • 持有电解液
电解液：
超级电容器（新型储能器件）H2SO4或KOH水溶液
• 双电层 • 赝电容
聚丙烯碳酸酯+离子液体等非水体系 电极：多孔碳材料，金属氧化物/聚合物等
特点：快速充放电~min，循环次数高~万次，充电容量约~10Wh/L或~10Wh7/kg
传递性隔膜实例
Redox flow battery（液流电池，属于二次电池，大规模储能）
隔膜的作用 • 阻隔阴、阳两极 • 传递离子
电解液：水系/有机体系
全钒/1.25V，铁铬/1.18V，多硫化钠/溴/1.355V，锌/溴/1.9V
16
• 燃料电池组件---单电池
HEMFC单电池的结构图
17
• 燃料电池组件---电堆
18
PEMFC
GE PEM fuel cell from Gemini 71QukWieteProartnadblceleaner than a diesel generator,
but larger and more complex.
~60C
13
13
微生物燃料电池Mcrobial Fuel Cell (MFC) Single chamber reactor
Anode Fuel (wastes)
load e-
H+
质子交换膜 e-
Cathode
Oxidant (O2)
bacteria
Oxidation products
(CO2)
Bacteria growing on
20
21
Miniature PEM Fuel Cells
美国DAPAR, 2003
“大黄蜂-I” 燃料电池无人飞行器
东芝公司开发的用于PDA 的微型直 接甲醇燃料电池，连续工作40h
电化学过程中的离子交换膜
Tel： Email：
1
Contents
1. Examples of Electrochemical process 1. 1.1 Chemical Batteries 2. 1.2 Fuel Cells 3. 1.3 Hydrogen pump/reactor
2. Ion exchange membranes 2.1 Characteristics 2.2 Preparation