質子交換膜燃料電池簡介

1、 質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 第三章1質子交換膜燃料電池簡介第1頁 質子交換膜燃料電池(PEMFC)簡介 原理 特點 關鍵元件 幾種慣用之質子交換膜物理特征之比較 大綱2質子交換膜燃料電池簡介第2頁質子交換膜燃料電池簡介 proton exchange membrane fuel cell之漢字譯名是質子交換膜型( 縮寫為PEMFC) 。 PEMFC是藉由電池內發(fā)生燃料燃燒反應而將化學能轉換為電能裝置。質子交換膜型(PEMFC)在結構上相當於普通電池，不一樣是陰、陽兩極均為以觸媒粉體等壓製而成2維多孔膜層，兩極間夾有一固體高分子電解質。3質子交換膜燃料電池簡介第3頁燃料電池示意圖4質子

2、交換膜燃料電池簡介第4頁發(fā)展燃料電池原因效率:能量轉換效率非常高，可達百分之四十以上，若再利用汽電共生技術，總熱效率及可能超過百分之八十。乾淨:發(fā)電過程幾乎沒有造成任何污染。安靜: 即使在一千一百萬瓦級燃料電池發(fā)電廠 附近，所測得噪音量也低於五十五分貝。體積小 :藉由奈米技術，可把電池微小化，輕易攜帶。5質子交換膜燃料電池簡介第5頁燃料電池與內燃機比較燃料電池內燃機6質子交換膜燃料電池簡介第6頁 原 理運作方式是以氫與氧為反應物，在觸媒催化下或高溫環(huán)境下離子化，讓化學能直接轉變?yōu)殡娔堋?(氫氣)(質子)(氧氣)(電子)7質子交換膜燃料電池簡介第7頁氫氧作燃料燃料電池反應示意圖 電極反應式為：正

3、極 ：H22H+2e-負極 ：O2+4H+4e-2H2O全反應： H2 + 1/2O2 H2O 8質子交換膜燃料電池簡介第8頁關鍵元件質子交換膜觸媒電極雙極板9質子交換膜燃料電池簡介第9頁質子交換膜型(PEMFC)結構主要構造約分為： 1.高分子質子交換膜（塗佈觸媒及其它物質）。 2.氣體導流板。 3.集電片。 4.夾板。 10質子交換膜燃料電池簡介第10頁單一CELL 電池組 (金屬板)(集電極)(電極流場)(電極)(氣體散播層)(離子導體)(薄膜)(金屬板)(集電極)(電極)(氣體散播層)(離子導體)(薄膜)(電極流場)11質子交換膜燃料電池簡介第11頁離子交換膜(Perfluorocar

4、bon )結構圖12質子交換膜燃料電池簡介第12頁離子交換膜(Perfluorocarbon )結構圖13質子交換膜燃料電池簡介第13頁氫氧作燃料燃料電池結構示意圖14質子交換膜燃料電池簡介第14頁觸媒(陽極觸媒)(陰極觸媒)15質子交換膜燃料電池簡介第15頁電催化反應催化觸媒：低溫燃料電池電催化是電化學和觸媒組合，我們可利用觸媒電極，使得電化學反應能在靠近理論電壓和高電流密度下進行。而燃料電池是利用電催化觸媒把化學能直接轉換成電能發(fā)電裝置。16質子交換膜燃料電池簡介第16頁(流道板)(電流搜集極)(襯墊)(襯墊)(觸媒層和陽離子交換膜組合)膜電極組基本結構17質子交換膜燃料電池簡介第17頁電

5、池性能圖18質子交換膜燃料電池簡介第18頁電池性能圖說明對於普通質子交換膜燃料電池（PEMRFC）用電極，由於膜與電極不是緊密地聯(lián)結在一起，用於PEMRFC電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並且由於作爲擴散層碳紙中，PTFE含量太高，防水性強，使電解性能很差。可逆式再生氫氧燃料電池，要求電極含有雙效性，即既能催化發(fā)生燃料電池反應，又能催化發(fā)生電解反應。針對這種特徵，我們設計一種雙層催化層電極，即首先在質子膜兩側化學鍍pt、Ir，作爲水電解反應催化層，然後製作類似於PEMFC用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。PEMRFC採用雙層催化層後燃料電池性能如圖3所表示，其中氫氧氣操作壓力爲0.3

6、Mpa，採用Nafion 115 膜，氫氧氣尾氣排放量爲化學計量值。從圖中能夠看出，隨著操作溫度升高，電池性能提升。這是因爲升高溫度有利於提升電化學反應速度和質子在電解質膜中傳遞速度。當電流密度爲500mA/cm2時，80RPEMRFC電池電壓爲0.65V,同PEMFC相比（沒有畫圖，當電流密度爲500mA/cm2時，80PEMFC電池電壓爲0.71V）有一定差距。這主要是由於PEMRFC氧電極催化層中含有一層化學鍍銥，而銥對氧氣還原催化活性很小，電極反應過程中，質子只有通過這層銥催化層，才能達到鉑催化劑活性位上反應，從而增加了質子傳遞阻力，使電池性能下降。 19質子交換膜燃料電池簡介第19頁

7、電解曲線圖隨著溫度升高，在同一電流密度下，電解電壓下降。這主要是由於隨著電解溫度升高，水理論分解電壓、陰陽極過電位降低，使電解電壓下降。當電解溫度爲20，電流密度大於700mA/cm2時，電解電壓急劇升高，出現(xiàn)極限電流。這是由於在低溫情況下，質子交換膜傳導質子能力下降，出現(xiàn)極限電流值。 20質子交換膜燃料電池簡介第20頁屢次循環(huán)伏安曲線圖21質子交換膜燃料電池簡介第21頁屢次循環(huán)伏安曲線圖說明從圖中可以看出，隨著迴圈次數(shù)增加，燃料電池、電解性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經過多次迴圈之後，蒸餾水在其

8、上成膜狀分佈。說明電解過程中産生氧氣對電極擴散層産生破壞，降低了電極擴散層防水性能，使氧氣到催化劑活性位擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。造成電解性能下降原因可能是：一方面由於銥催化劑在電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導體，增加了電極中電子傳導阻力，使電解性能下降；其次由於電解過程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入膜與催化劑介面，可能使化學鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴圈使用壽命。 22質子交換膜燃料電池簡介第22頁電極電極反應陽極：H22H+2e-陰極:O2+4H+4e-2H2O+EE=-1.229v23質子交換膜燃料電池簡介第23頁雙極板雙極板功效分隔氧化劑與還原劑搜集電流確保電池堆溫度均勻分佈達到散熱效果24質子交換膜燃料電池簡介第24頁Target Value$10/kg包含材料和加工100 S/cm或者200S/2 1kW/kg (對於交通工具用)足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄雙極板規(guī)格特征要求製造成本抗腐蝕性材料導電性材料氣密性重量輕良好機械性質25質子交換膜燃料電池簡介第25頁EX:石墨雙極板製作 流道設計石墨素材平面整修建立CADCAM模型建檔路徑模擬NC加工程式素材切面石墨薄面平面整修雙極板槽孔加工燃料電池雙極板26質子交換膜燃料電池簡介第26頁多層複合型雙極板27質子交換膜燃料電池簡介第27頁流場