燃料電池手冊(cè)讀后感

1、Fuel cell handbook心得 燃料電池的工作原理 燃料電池的種類與基本特點(diǎn) 1 1 ）. .聚合物電解質(zhì)燃料電池（聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC)PEFC) 2 2 ）. .堿性染料電池（堿性染料電池（AFCAFC） 低溫燃料電池低溫燃料電池 3 3 ）. .磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFCPAFC） 4 4 ）. .熔融碳酸鹽燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCMCFC） 高溫燃料電池高溫燃料電池 5 5 ）. .固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFCSOFC） 聚合物電解質(zhì)燃料電池PEFC 也叫質(zhì)子交換膜燃料電池，PEFC工作溫度一般在80度左右，該燃料 電池中

2、的電解質(zhì)是離子交換膜（氟化磺酸聚合物或其它類似聚合物）。 優(yōu)點(diǎn)：1.該燃料電池中唯一的液體是水，因此，腐蝕問題最小。2.工 作溫度較低，啟動(dòng)速度較快。3.與SOFC（固體氧化物燃料電池一樣）采用 固體電解質(zhì)，不存在電解質(zhì)移動(dòng)的問題。4.沒有運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行安靜。 問題：1.需使用價(jià)格昂貴的Pt做催化劑，成本投入高。2.催化劑對(duì)CO 十分敏感。少量的CO也會(huì)使電池性能嚴(yán)重下降。3.離子交換膜工藝復(fù)雜， 對(duì)技術(shù)要求較高。 聚合物電解質(zhì)燃料電池簡(jiǎn)介 PEFC疊層內(nèi)的典型電池組件包 括： 1）離子交換膜 2）導(dǎo)電多孔背襯層 3）催化劑層 4）雙極板，其通過流動(dòng)通道 將燃料和氧化劑遞送到反應(yīng)位 點(diǎn)。 右圖

3、為典型的聚合物電解質(zhì)燃 料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。 離子交換膜 最初燃料電池中的有機(jī)基陽離子 交換膜構(gòu)想由WILLIAM T. GRUBBS在1959年提出。最終發(fā) 展了全氟磺酸聚合物。 目前通 常使用的是由DU PONT公司研 制的離子交換膜（NAFION）， 它是通過在側(cè)鏈上規(guī)則重復(fù)的磺 酸位點(diǎn)來獲得離子傳輸特性。 在大多數(shù)情況下磺酸位點(diǎn)的數(shù)量 決定離子的導(dǎo)電性。 即使大部 分聚合物被氟化，賦予膜的主體 高度疏水的特性，磺酸位點(diǎn)依舊 是是親水的。膜可以獲得的水含 量的程度是與離子位點(diǎn)成正比， 結(jié)果是膜的導(dǎo)電性，氣體滲透性 和機(jī)械性能由水含量決定。 離子交換膜是聚合物電解質(zhì)燃料電池的 核心部分 離

4、子交換膜的功能包括： 1.提供導(dǎo)電路徑，讓陽離子或陰離子通 過，形成電流。 2.隔絕反應(yīng)氣體，以免氫氣與氧氣在電 極表面發(fā)生反應(yīng)。 多孔背襯層 背襯層通常基于碳，并且可以是 布形式，無紡壓制碳纖維構(gòu)造， 或簡(jiǎn)單地是氈狀材料。該層結(jié)合 有疏水材料，例如聚四氟乙烯， 聚四氟乙烯的功能是防止水“積 聚”在孔隙體積內(nèi)，使得氣體自 由地接觸催化劑位點(diǎn)。此外，其 有助于陰極上的產(chǎn)物水去除，因 為其在背襯材料的通道內(nèi)產(chǎn)生非 潤濕表面。 聚合物膜夾在兩片多孔背襯介質(zhì)之 間。多孔背襯層的功能包括： 1）充當(dāng)氣體擴(kuò)散器 2）提供機(jī)械支撐 3）提供電子的電通路。 催化劑層 催化劑層與其粘合劑一體形成 電極。在任一情

5、況下，催化劑 顆粒和交換膜的親合程度對(duì)于 質(zhì)子遷移率是十分關(guān)鍵的。粘 合劑執(zhí)行多個(gè)功能。其中將層 狀結(jié)構(gòu)中的催化劑顆?！肮?定”，有助于電極的整體結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)與性能有直接關(guān)系。 對(duì)于聚合物電解質(zhì)燃料電池， 設(shè)計(jì)提高鉑的利用率，降低其 用量和尋找新的價(jià)格較低的非 貴金屬催化劑成為了電催化劑 的研究目標(biāo)與方向。 與離子交換膜和多孔背襯層緊密接 觸的是催化劑層 對(duì)于聚合物電解質(zhì)燃料電池，催化 劑常使用貴金屬Pt 低溫燃料電池多使用Pt為催化劑， 高溫燃料電池（MCFC SOFC）可 使用鎳為催化劑 溫度對(duì)聚合物電解質(zhì)燃料電池的影響 低溫運(yùn)行（80） PEFC的低操作溫度具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。低溫 操作是

6、有利的，因?yàn)殡姵乜梢詮沫h(huán)境條件 快速啟動(dòng)。另一方面，是含有一氧化碳的 燃料流的缺點(diǎn)，因?yàn)樘紝⒐翥K催化劑位 點(diǎn)，掩蓋催化活性和降低電池性能。80 下僅允許幾ppm的CO。由于CO影響陽極， 重整和轉(zhuǎn)移的烴含有約1的CO，所以還 需要消除燃料氣體中的CO。低操作溫度還 意味著從燃料電池僅可獲得很少熱量用于 吸熱重整。 高溫運(yùn)行（160） PEFC開發(fā)使用新的離子交換膜聚苯并咪唑 （PBI）在160C范圍內(nèi)的操作。較高的 操作溫度可以通過消除鉑位點(diǎn)的CO吸留而 消除CO中毒。此外，該操作方式提供更高 質(zhì)量的熱量以用于固定熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) 聚合物電解質(zhì)燃料電池的水管理 由于在低于100和大氣壓下操

7、作，產(chǎn)生液態(tài)水。 關(guān)鍵的要求是保持電解質(zhì) 中的高含水量以確保高離子電導(dǎo)率。 當(dāng)在高電流密度（約1A / cm 2）下操 作時(shí)，保持高水含量是特別關(guān)鍵的，因?yàn)榕c水形成和分布相關(guān)的質(zhì)量傳輸問 題限制了電池輸出。 當(dāng)膜完全飽和時(shí)，電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率較高。如果沒有 足夠的水管理，在水生產(chǎn)和除去水之間將發(fā)生不平衡。 研究發(fā)現(xiàn)如果有太多的水可用，電極可能淹沒并且反應(yīng)物可能被稀釋，而如 果太少，則膜可能脫水。如果發(fā)生脫水，則膜對(duì)電極的粘附將受到不利影響。 電極和電解質(zhì)膜之間的緊密接觸是重要的，因?yàn)闆]有自由液體電解質(zhì)形成導(dǎo) 電橋。在干燥條件下操作將嚴(yán)重影響膜壽命 水管理的解決 開發(fā)者設(shè)計(jì)了一個(gè)提供被動(dòng)水控制

8、的替代板結(jié)構(gòu)。通過兩種機(jī)制除去 產(chǎn)物水： 1）通過多孔雙極板將液態(tài)水輸送 到冷卻劑中 2）蒸發(fā)成反應(yīng)物氣流 該電池在基本設(shè)計(jì)上類似于具有膜， 催化劑，基板和雙極板部件的其它 PEFC。然而，雙極板的構(gòu)造和組 成存在差異：其由多孔石墨制成。 在操作期間，孔隙填充有與冷卻劑 流直接連通的液態(tài)水。產(chǎn)物水從陰 極通過孔流入冷卻劑流（在反應(yīng)物 和冷卻劑流之間需要小的壓力梯 度）。然后，冷卻劑流中的水被輸 送到儲(chǔ)存器。通過多孔膜除去水導(dǎo) 致反應(yīng)物流動(dòng)沒有任何障礙物（液 態(tài)水）。淹沒的孔用于向進(jìn)入的反 應(yīng)物氣體供水并加濕那些氣體。這 防止膜的干燥，特別是在陽極。 PEFC開發(fā)者 D.J. Wheeler,

9、J.S. Yi, R. Fredley, D. Yang, T. Patterson Jr., L. VanDine, “Advacements in Fuel cell Stack Technology at International Fuel Cells,” International Fuel Cells (now UTC Fuel Cells), Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 4, 2001. 聚合物電解質(zhì)燃料電池的發(fā)展 PEFC在環(huán)境壓力下使用沒有強(qiáng)制空氣流動(dòng)，加濕或主動(dòng)冷卻的六電池堆棧的運(yùn)行超過 25,

10、000小時(shí)的驗(yàn)證。完整的燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)用于許多運(yùn)輸應(yīng)用。對(duì)于固定應(yīng)用，工廠 生產(chǎn)的住宅電力系統(tǒng)在無人值守情況下連續(xù)運(yùn)行超過1,000,000 kWhrs。目前PEFC的發(fā) 展集中在催化劑，膜和雙極板的成本降低和大量制造上邊。 離子交換膜的發(fā)展 熔融擠出膜DuPont （ Nafion No. 117） 雖然熔融擠出薄膜是規(guī)范，應(yīng)用廣泛，但行業(yè)正在轉(zhuǎn)向溶液澆鑄膜工藝，以降低成本和改進(jìn)制造 生產(chǎn)效率。 膜技術(shù)的另一個(gè)進(jìn)步是使用內(nèi)部支撐層增強(qiáng)膜膜的機(jī)械性能，特別是使膜厚度減少，典型的是由 W.L. Gore制造的Primea 55和56系列膜。 膜電極組件MEA是燃料電池質(zhì)子交換膜，催化劑和電極的組合，即電極可以鑄造轉(zhuǎn)移到膜上或 直接施加到膜上，這種組件