質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介

1、 質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 第三章1質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第1頁 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)簡(jiǎn)介 原理 特點(diǎn) 關(guān)鍵元件 幾種慣用之質(zhì)子交換膜物理特征之比較 大綱2質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第2頁質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介 proton exchange membrane fuel cell之漢字譯名是質(zhì)子交換膜型( 縮寫為PEMFC) 。 PEMFC是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能裝置。質(zhì)子交換膜型(PEMFC)在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)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(zhì)。3質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第3頁燃料電池示意圖4質(zhì)子

2、交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第4頁發(fā)展燃料電池原因效率:能量轉(zhuǎn)換效率非常高，可達(dá)百分之四十以上，若再利用汽電共生技術(shù)，總熱效率及可能超過百分之八十。乾淨(jìng):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(jí)燃料電池發(fā)電廠 附近，所測(cè)得噪音量也低於五十五分貝。體積小 :藉由奈米技術(shù)，可把電池微小化，輕易攜帶。5質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第5頁燃料電池與內(nèi)燃機(jī)比較燃料電池內(nèi)燃機(jī)6質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第6頁 原 理運(yùn)作方式是以氫與氧為反應(yīng)物，在觸媒催化下或高溫環(huán)境下離子化，讓化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?(氫氣)(質(zhì)子)(氧氣)(電子)7質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第7頁氫氧作燃料燃料電池反應(yīng)示意圖 電極反應(yīng)式為：正

3、極 ：H22H+2e-負(fù)極 ：O2+4H+4e-2H2O全反應(yīng)： H2 + 1/2O2 H2O 8質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第8頁關(guān)鍵元件質(zhì)子交換膜觸媒電極雙極板9質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第9頁質(zhì)子交換膜型(PEMFC)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)造約分為： 1.高分子質(zhì)子交換膜（塗佈觸媒及其它物質(zhì)）。 2.氣體導(dǎo)流板。 3.集電片。 4.夾板。 10質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第10頁單一CELL 電池組 (金屬板)(集電極)(電極流場(chǎng))(電極)(氣體散播層)(離子導(dǎo)體)(薄膜)(金屬板)(集電極)(電極)(氣體散播層)(離子導(dǎo)體)(薄膜)(電極流場(chǎng))11質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第11頁離子交換膜(Perfluorocar

4、bon )結(jié)構(gòu)圖12質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第12頁離子交換膜(Perfluorocarbon )結(jié)構(gòu)圖13質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第13頁氫氧作燃料燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖14質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第14頁觸媒(陽極觸媒)(陰極觸媒)15質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第15頁電催化反應(yīng)催化觸媒：低溫燃料電池電催化是電化學(xué)和觸媒組合，我們可利用觸媒電極，使得電化學(xué)反應(yīng)能在靠近理論電壓和高電流密度下進(jìn)行。而燃料電池是利用電催化觸媒把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能發(fā)電裝置。16質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)17質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第17頁電

5、池性能圖18質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第18頁電池性能圖說明對(duì)於普通質(zhì)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(jié)在一起，用於PEMRFC電解時(shí)會(huì)使膜與電極分離，使電解性能差；並且由於作爲(wèi)擴(kuò)散層碳紙中，PTFE含量太高，防水性強(qiáng)，使電解性能很差?？赡媸皆偕鷼溲跞剂想姵兀箅姌O含有雙效性，即既能催化發(fā)生燃料電池反應(yīng)，又能催化發(fā)生電解反應(yīng)。針對(duì)這種特徵，我們?cè)O(shè)計(jì)一種雙層催化層電極，即首先在質(zhì)子膜兩側(cè)化學(xué)鍍pt、Ir，作爲(wèi)水電解反應(yīng)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(yīng)。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(wèi)0.3

6、Mpa，採用Nafion 115 膜，氫氧氣尾氣排放量爲(wèi)化學(xué)計(jì)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(wèi)升高溫度有利於提升電化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜中傳遞速度。當(dāng)電流密度爲(wèi)500mA/cm2時(shí)，80RPEMRFC電池電壓爲(wèi)0.65V,同PEMFC相比（沒有畫圖，當(dāng)電流密度爲(wèi)500mA/cm2時(shí)，80PEMFC電池電壓爲(wèi)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(xué)鍍銥，而銥對(duì)氧氣還原催化活性很小，電極反應(yīng)過程中，質(zhì)子只有通過這層銥催化層，才能達(dá)到鉑催化劑活性位上反應(yīng)，從而增加了質(zhì)子傳遞阻力，使電池性能下降。 19質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)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(dāng)電解溫度爲(wèi)20，電流密度大於700mA/cm2時(shí)，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(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子能力下降，出現(xiàn)極限電流值。 20質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第20頁屢次循環(huán)伏安曲線圖21質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)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(jìn)行氧電極擴(kuò)散層防水試驗(yàn)。氧電極在實(shí)驗(yàn)前，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經(jīng)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(duì)電極擴(kuò)散層産生破壞，降低了電極擴(kuò)散層防水性能，使氧氣到催化劑活性位擴(kuò)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(shí)生産氧化銥，而氧化銥是一種半導(dǎo)體，增加了電極中電子傳導(dǎo)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(jìn)入膜與催化劑介面，可能使化學(xué)鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能衰減。需要進(jìn)一步改進(jìn)電極製備工藝，提從而提高電極迴圈使用壽命。 22質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第22頁電極電極反應(yīng)陽極：H22H+2e-陰極:O2+4H+4e-2H2O+EE=-1.229v23質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)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(dá)到散熱效果24質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)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(duì)於交通工具用)足夠強(qiáng)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(dǎo)電性材料氣密性重量輕良好機(jī)械性質(zhì)25質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第25頁EX:石墨雙極板製作 流道設(shè)計(jì)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(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第26頁多層複合型雙極板27質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介第27頁流場(chǎng)