質(zhì)子交換膜燃料電池論文設(shè)計

1、質(zhì)子交換膜燃料電池摘 要能源和環(huán)境是全人類面臨的重要課題， 考慮可持續(xù)開展的要求，在電池領(lǐng)域質(zhì)子 交換膜燃料電池PEMFC技術(shù)正引起能源工作者的極大關(guān)注。本論文簡單介紹了 一下質(zhì)子交換膜燃料電池的組成、 特點與其工作原理。詳細的從質(zhì)子交換膜燃料電池 的質(zhì)子交換膜的材料、電催化劑的種類、雙極板材料與其貯氫技術(shù)的困難方面論述了 質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)；同時從質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)現(xiàn)狀與其在電動 車動力源、家庭電源、分散站和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用做以介紹。關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；質(zhì)子交換膜；雙極板；電催化劑ABSTRACTEnergy and environment is the mankind

2、 faces an important subject, considering the requireme nts of susta in able developme nt, the Proto n Excha nge Membra ne Fuel CellPEMFCtech no logy is attracti ng the atte nti on of en ergy workers .In this thesis，the introduction of proton exchange membrane fuel cell position working principle，dom

3、estic and international situation and its application prospects. In this thesis, a brief proton exchange membrane fuel cell position characteristics, and how it works and its Problems and prospects in the in dustrial developme nt are outli ned. Detail from the prot on excha nge membrane fuel cell pr

4、oton exchange membrane materiajsthe type of electro-catalyst, the bipolar plate materials and the difficulties of hydroge n storage tech no logies discussed prot on excha nge membra ne fuel celj the key tech no logies At the same time, from the proton exchange membrane fuel cell R & D Status and

5、 its power source in electric vehicles, household power, decentralized stations and military fields, the application to in troduce.Key Words : Proton exchange membrane fuel cell;Proton exchange membrane;Bipolar plate;Electro catalyst能源是人類賴以生存開展的重要物質(zhì)根底，也是國民經(jīng)濟開展的重要命脈，因而對人類與人類社會開展具有十分重要的意義。 本論文主要只對質(zhì)子交換

6、膜燃料電池的 組成與其工作原理做簡單介紹，并就其中的幾項關(guān)鍵組成做詳細介紹： 包括質(zhì)子交換 膜的特點，常用的質(zhì)子交換膜與其國內(nèi)外的研究狀況； 電催化劑的要求，催化機理與 其催化劑的研究狀況；質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的的特點與其材料的研究狀況；質(zhì)子交換膜燃料電池的貯氫技術(shù)與其面臨的問題。1質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）概述世界有關(guān)專家普遍認為，21世紀將是氫能世紀的開始。氫不僅可以通過化石燃 料轉(zhuǎn)換或生物制氫來得到，還可以通過核能發(fā)電、自然能光能、風(fēng)能、水能發(fā)電、 電解水，氯堿工業(yè)、鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)物等途徑得到，而且是一種清潔能源。據(jù)日本預(yù)測，到2050年，日本對氫能的依存度將占總能源的20%，

7、到2100年將上升到50 %以上，從這種意義上講，在21世紀中期人類社會將步入“氫能社會，在未來的以 氫為中心的能源體系中，燃料電池技術(shù)將毫無疑問地成為其關(guān)鍵。其中質(zhì)子交換膜燃料電池就是由此研究出的一項咼新技術(shù)成果。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)簡稱PEMFC，也有 人稱之為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 (P01ymer E1ectrolyte Membra ne Fuel Cell)還有一 些其它的叫法。歷史上最早稱為離子交換膜燃料電池IEMFC(lo nExcha nge Membra ne)，現(xiàn)在根本沒人使用這一名稱。但最為常用的名稱

8、還是質(zhì)子交換膜燃料電 池，即PEMFC。質(zhì)子交換膜燃料電池的主要特點是：(1) 燃料來源廣，既可使用純氫，又可使用轉(zhuǎn)化燃料。原料來源廣泛，通過對石 油、天燃氣、煤炭還有沼氣、甲醇、水植物等加工取得，來之不盡、取之不竭。(2) 無污染，環(huán)境友好，因沒有燃燒過程，不排放有害氣體，它的排出物是氫氧 結(jié)合的純水，實現(xiàn)零排放(無SO2、NO2,產(chǎn)物為H20)。(3) 無燥音。其發(fā)電過程是電化學(xué)反響過程，沒有機械運動，所以沒有噪音(4) 高效節(jié)能，能源轉(zhuǎn)換效率高。因其工作溫度低，能耗少，能源轉(zhuǎn)換效率理論 上可高達80 %，現(xiàn)在各國研制水平已達到 50 % 60 %。(5) 可持續(xù)供電。質(zhì)子交換膜燃料電池不

9、是蓄能蓄電裝置，而是一種發(fā)電裝置， 只要不斷供應(yīng)原料就可連續(xù)發(fā)電，而且電性能穩(wěn)定。美國(時代周刊)把質(zhì)子交換膜燃料電池評為21世紀即將改變?nèi)祟惿畹氖蟾?科技之首。世界先進國家紛紛投入巨大人力、財力研制開發(fā)這一技術(shù)。質(zhì)子交換膜燃 料電池除上述特點外，其優(yōu)點還有：(1) 工作電流大(14 A/ cm2，0.6 V)，比功率高(0.10.2 kw/ kg)，比能量大； 使用固體電解質(zhì)膜，可以防止電解質(zhì)腐蝕；(3) 工作穩(wěn)定可靠。常溫下有80%的額定功率，在低溫(<100C )下運行；(4) 冷啟動時間短，可在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)冷起動；(5) 設(shè)計簡單、制造方便，體積、重量小，便于攜帶。2PEMFC

10、的組成電催化劑、質(zhì)子交換膜、電極、雙極板是PEMFC的重要組成局部，對PEMFC性 能和運行穩(wěn)定性有著重要的影響。2.1質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane Fuel PEM)是 PEMFC 的核心部件，PEM 與一般化學(xué)電源中使用的隔膜有區(qū)別。 它不只是一種隔膜材料，也是電解質(zhì)和電極 活性物質(zhì)(電催化劑)的基底，另外，質(zhì)子交換膜還是一種選擇透過性膜，主要起傳 導(dǎo)質(zhì)子、分割氧化劑與復(fù)原劑的作用，用作 PEM的材料應(yīng)該滿足以下條件：良好的質(zhì)子電導(dǎo)率；(2) 水分子在膜中的電滲透作用??；(3) 氣體在膜中的滲透性盡可能??；(4) 電化學(xué)穩(wěn)定性好；(5) 干濕轉(zhuǎn)換性

11、能好；(6) 具有一定的機械強度；(7) 可加工性好、價格適當。PEMFC曾采用過酚醛樹脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜等，研究明確全氟磺酸型膜是目前最實用的PEMFC電解質(zhì)，其中最為流行的是Nafion膜(美國 DuPont 公司)和 Dow 膜(Dow Chemical 公司)。2.2電催化劑與催化機理2.2.1 PEMFC的電催化劑在整個電極反響中不被消耗的物質(zhì)對電極反響所起的加速作用被稱為電催化。使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反響的一種物質(zhì)叫做電催化劑。電催化劑的特點在于其不但與電極電位有關(guān)，而且電極與溶液界面間存在的不參加電極反響的離子和 溶劑分子常常也對催化有明顯的影

12、響。PEMFC的電極催化劑包括陽極催化劑和陰極催化劑，它是一種特殊的使氧氣和 氫氣起反響的物質(zhì)。它一般由極細的鉑粉末涂覆在彈性塑料膜上或涂在碳紙或布上而 制得。催化劑粗糙多孔，因而其有足夠的比外表積以促進氫氣和氧氣的反響。它對于 2個電極反響均有催化活性，并且可長期工作。對燃料電池而言，其催化劑應(yīng)滿足以 下條件：(1) 具有導(dǎo)電性，或使用導(dǎo)電性良好的載體以求獲得高的導(dǎo)電性；(2) 具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性，即能在實現(xiàn)目標反響的條件下，電催化劑外表不會 因電化學(xué)反響而過早失活；(3) 具有較好的催化性能，包括實現(xiàn)目標反響與抑制副反響的活性。在PEMFC中，電催化劑的研究主要是尋找可降低燃料氧化和氧氣

13、復(fù)原過程過電 位的電催化劑。又由于燃料電池電極必須具有多孔、氣體擴散和穩(wěn)定的性能，故所用 的催化劑必須是高外表積、穩(wěn)定、不易老化、不易中毒、催化性能高的催化劑。2.2.2 PEMFC的電極催化機理電催化(Electro catalysis) 詞最早可能是20世紀30年代由前蘇聯(lián)Kobosev等人 提出的，在20世紀60年代以后經(jīng)Bockris和Grubb等人的突出貢獻而得到更廣泛的 重視。電催化過程是指在電極/電解質(zhì)界面上進展電荷轉(zhuǎn)移反響時的非均相催化過 程，由于電催化反響是在電場作用下進展的，因此它比普通非均相催化過程更為復(fù)雜。對PEMFC的陽極反響一一氫的氧化反響來說，其電催化反響機理已很

14、明確，它 是一個兩電子轉(zhuǎn)移過程：H2+2M 2MH2MH 2M+2H+2e-然而對于陰極反響氧復(fù)原反響(Oxygen reduction reaction，ORR)來說，其反響機理比氫的氧化反響要復(fù)雜得多，這是由于：(1) 強吸附0-0鍵和高度穩(wěn)定的Pt-O或Pt-OH物種的形成；(2) 四電子轉(zhuǎn)移過程；(3) 可能形成局部氧化物種H2O2。當進展四電子轉(zhuǎn)移過程時，至少存在四個中間步驟，如下所示：O2+H+M+ e- MHO 2MHO2+ H+ e- MO+H2OMO+ H+ e-MOHMOH+ H+ eM+H2O即使經(jīng)過50多年的研究，仍然缺乏對在不同電催化劑上進展的這一反響的中間 產(chǎn)物和速

15、度控制步驟的機理的統(tǒng)一認測。對于發(fā)生在PEMFC中的氧復(fù)原反響，由于該反響是在與固態(tài)電解質(zhì)即質(zhì)子交換膜(如Nation膜)相接觸的特殊界面上進展的，并 且反響涉與到質(zhì)子、電子、反響氣體和水的多種傳遞過程，其反響歷程、反響機理和 影響因素更為復(fù)雜，目前對于發(fā)生在這一特殊界面上的反響的研究頗為不足，對其反響機理亦未探明。2.3雙極板雙極板又稱流場板，其主要功能是使一個電池陰極的外表同下一個陽極串聯(lián)起 來，同時還向陰極供氧和向陰極提供燃氣。除此之外，它還必須置有冷卻流體通過電堆的通道并保證冷流體和反響氣體別離，具有良好的氣密性。質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板具有以下功能和特點：1分隔氧化劑如空氣和復(fù)原劑

16、如氫氣、重整氣，具有阻氣功能，因 而不能采用多孔材料；2收集電流，是電的良導(dǎo)體；3抗腐蝕；4雙極板兩側(cè)應(yīng)有使氣體均勻分布的通道即流場，以確保氣體在電極各處均 勻分布；5極板應(yīng)是熱的良導(dǎo)體，以保證溫度均勻和排熱方案的實施。根據(jù)以上特點制作雙極板的材料必須具備如下條件：1電導(dǎo)率必須大于10S/cm；2對于內(nèi)置冷卻的流體通道的雙極板，導(dǎo)熱率必須超過20w/m/k；對于只通過板邊緣散熱的電堆，極板的導(dǎo)熱率必須超過100 w/ : m/k；3氣體滲透率必須低于10-7mbarx L/(s x cm2)；4必須在接觸酸性電解質(zhì)、氧氣、氫氣、熱和濕潤的條件下都具有抗腐蝕的 能力；5必須具有一定的硬度，彎曲度

17、大于 25MPa；6價格盡可能低。如今PEMFC廣泛采用的雙極板材料是無孔石墨板，制造工藝嚴格復(fù)雜，雖可在 自動化裝置上完成加工，但切割過程進展緩慢，并且對機械的精度要求較高，并且石 墨易碎，成平極板需要小心輕放，組裝比擬困難，價格高昂，而且在石墨板上機械加 上蛇形通道流場，既費工時價格又高。據(jù)介紹，在Ballard公司開發(fā)的MK55KW的質(zhì)子交換膜燃料電池的本錢中，雙極板費用占60%70%。2.4氣體擴散層膜電極的氣體擴散層位于催化劑層與雙極板之間，擴散層的作用在于支撐催化 層，收集電流，并為電化學(xué)反響提供電子通道、氣體通道和排水通道。對其性能主要 有以下要求：(1) 氣體擴散層是氣體到達電

18、催化層的必由之路，應(yīng)具有高孔隙率和適宜的孔分 布，有利于氣體的傳質(zhì)；(2) 氣體擴散層具有收集電流的作用，應(yīng)該是電的良導(dǎo)體；(3) 氣體擴散層對電催化層具有支撐作用，應(yīng)該具有一定的機械強度，適于電催 化層的負載；(4) 氣體擴散層應(yīng)該是熱的良導(dǎo)體，便于PEMFC的熱管理：(5) 氣體擴散層在PEMFC的運行條件(一定的溫度、氧化與復(fù)原氣氛以與電壓)下, 應(yīng)該具有一定的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。為了達到上述對氣體擴散層的多種要求，目前一般普遍采用石墨化的碳紙和碳 布，如日本Foray公司生產(chǎn)和銷售的TGP-H碳紙，其厚度一般在100300卩m之間。 為了進一步改善PEMFC的性能，眾多的學(xué)者和研究人員

19、都提出了在碳紙和催化劑層 之間添加水管理層(或擴散層)的方法。該層主要由碳以與疏水的 PTFE構(gòu)成。有實驗 結(jié)果明確在碳紙和催化劑層之間添加水管理層能有效的改善PEMFC性能。Zhigang Qi等發(fā)現(xiàn)，在膜電極結(jié)構(gòu)中添加水管理層后，可以防止不同種類的碳紙 所引起的性能差異。J Mirzazadeh等的研究結(jié)果明確，水管理層對電化學(xué)反響的動力學(xué)性能并沒有影響，但能明顯提高 PEMFC在高電流密度區(qū)的性能。Jinhua Chert 等重點研究了水管理層的水管理功能。水管理層可以使整個電極內(nèi)部的水分布更均 勻，從而使整個質(zhì)子交換膜保持均較高質(zhì)子導(dǎo)電性能；水管理層還可有效地防止質(zhì)子交換膜缺水以與陰極

20、的淹漬現(xiàn)象，從而使 PEMFC性能得到改善。此外，氣體擴散層的厚度、PTFE含量以與孔率等均對膜電極 MEA的性能具有 重要影響。適中的碳載量以與 PTFE更有利于改善PEMFC的性能。Cha ng Sun Kong 等在水管理層中添力Li2CO3作為造孔劑，通過熱處理使Li2CO3分解成孔，并發(fā)現(xiàn) 水管理層中孔徑的分布比總的孔率對 PEMFC性能影響更大。3 PEMFC的工作原理膜電極組件（MEA）是單體電池的心臟，燃料電池反響便發(fā)生在此組件上。MEA位 于石墨極板之間，由固體電解質(zhì)膜、催化劑電極和電極支撐體組成，其厚度不到1mm。 電解質(zhì)膜用熱壓法粘到電極上，制造膜的材料是過氟化磺酸（如杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列材料），它必須在燃料電池工作期間保持充分水化狀態(tài)，以達到最大限度 的質(zhì)子傳導(dǎo)率。PEMFC在常壓和低于100C下工作。PEMFC的工作原理圖如圖1所 示，PEMFC的電極反響類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。當 PEMFC工作時，由雙 極板向MEA供應(yīng)純氫或混有二氧化碳的氫氣以與氧化劑 （如空氣），反響物穿過多孔的碳電極載體進入鉑催化層，氫燃料在陽極上發(fā)生反響，生成電子和氫離子:+ -H22H +2eeE = 0. 000 V氫離子通過質(zhì)子導(dǎo)電膜電解質(zhì)到達陰極,水：并在陰極與電子和空氣提供的氧結(jié)合成1/2O2+2H+2e- H2OEe= 1.234 V催ft刑- 21