PEMFC——燃料电池课件
80页1、质子交换膜燃料电池1 工作原理质子交换膜型燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以全氟磺酸型固体 聚合物为电解质,铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂, 氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂, 带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为 双极板。下图为PEMFC的工作原理示意图。由图可知,构成PEMFC的关键材料与部件 为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换 膜和双极板。PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应:该电极反应产生的电子经外电路到达阴极,氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质,而是通过 电极随反应尾气排出。总的反应 :阳极反应 :阴极反应 :发展简史20世纪60年代,美国首先将PEMFC用于双子星座航天 飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜,在电池 工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池寿 命的缩短,且还污染了电池的生成水,使宇航员无法 饮用。其后,尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸 膜,延长
2、了电池寿命,解决了电池生成水被污染的问 题,并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标,让位于 石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC),造成PEMFC的研 究长时间内处于低谷。1983年,加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行 PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共 同努力下,FEMFC取得了突破性进展。采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟 磺酸膜,使电池性能提高数倍。接着又采用铂炭催化剂代替纯铂黑,在电极催化层 中加入全氟磺酸树脂,实现了电极的立体化并将 阴极、阳极与膜热压到一起,组成电极-膜-电极“三 合一”组件(membrane-electrode-assembly,MEA) 。这种工艺减少了膜与电池的接触电阻,并在电极 内建立起质子通道,扩展了电极反应的三相界面 ,增加了铂的利用率。不但大幅度提高了电池性 能,而且使电极的铂担量降至低于0.5mg/cm2,电 池输出功率密度高达0.5-2w/cm2,电池组的质量比 功率和体积比功率分别达到700w/kg和1000w/L。三. 特点与用途除了具有FC的一般优点外,PE
3、MFC还具有:室温下快速启动无电解质液流失比功率和比能量高寿命长。可用于分散电站,移动电源,是电动车、移动通 讯和潜艇等的理想电源,也是最佳的家庭动力源 。四. 电极PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少有两层 构成:起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行 的催化层。催化层扩散层电极结构示意图(一)扩散层功能:1)起支撑作用,为此要求扩散层适于担载催化层,扩 散层与催化层的接触电阻要小;催化层主要成分是Pt/C 电催化剂,故扩散层一般选炭材制备;2)反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应 ,因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布,有利于 传质。 (3)阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电流 ,阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子,即 扩散层应是电的良导体。因为FEMFC工作电流密度 高达1A/cm2,扩散层的电阻应在m.cm2的数量级 。4)PEMFC效率一般在50左右,极化主要在氧阴 极,因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良 导体。5)扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的,但是PEMFC扩散层要同时满足 反
4、应气与产物水的传递,并具有高的极限电流 ,则是扩散层制备过程中最难的技术问题。(二)质子交换膜它是PEMFC的最关键部件之一,直接影响电池的性 能与寿命。质子交换膜应满足的要求:1)高的H+离子传导能力;2)在FC运行条件下,膜结构与树脂组成保持不 变,即具有良好的化学和电化学稳定性;3)具有低的反应气体渗透性,保证FC具有高的法 拉第效率;4)具有一定的机械强度。目前使用的主要是Du Pont杜邦公司的全氟磺酸 型质子交换膜,即Nafion膜,售价高达 $500800/m2。因此,开发性能优良的交换膜是当前研究的热点 之一。全氟磺酸型质子交换膜传导质子必须要有水存在 才行,其传导率与膜的含水率呈线性关系。实验表明,当相对湿度小于35%时,膜电导显著 下降,而在相对湿度小于15%时,Nafion膜几乎 成为绝缘体。(三)双极板PEMFC电池组一般按压滤机方式组装。由图可知,双 极板必须满足下述功能要求。实现单池之间的电的联结,因此,它必须由导电良 好的材料构成。将燃料(如氢)和氧化剂(如氧)通过由双极板、密封件 等构成的共用孔道,经各个单池的进气管导入各个单 池,并由流场均匀分配到电极
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