燃料电池手册读后感解读.pptx

Fuel cell handbook心得 燃料电池的工作原理 燃料电池的种类与基本特点 1 ）.聚合物电解质燃料电池（PEFC) 2 ）.碱性染料电池（AFC） 低温燃料电池 3 ）.磷酸燃料电池（PAFC） 4 ）.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 高温燃料电池 5 ）.固体氧化物燃料电池（SOFC） 聚合物电解质燃料电池PEFC 也叫质子交换膜燃料电池，PEFC工作温度一般在80度左右，该燃料电池中的电解质是离子交换膜（氟化磺酸聚合物或其它类似聚合物）。 优点：1.该燃料电池中唯一的液体是水，因此，腐蚀问题最小。2.工作温度较低，启动速度较快。3.与SOFC（固体氧化物燃料电池一样）采用固体电解质，不存在电解质移动的问题。4.没有运动部件，运行安静。 问题：1.需使用价格昂贵的Pt做催化剂，成本投入高。2.催化剂对CO十分敏感。少量的CO也会使电池性能严重下降。3.离子交换膜工艺复杂，对技术要求较高。 聚合物电解质燃料电池简介 PEFC叠层内的典型电池组件包括： 1）离子交换膜 2）导电多孔背衬层 3）催化剂层 4）双极板，其通过流动通道 将燃料和氧化剂递送到反应位点。 右图为典型的聚合物电解质燃料电池的结构示意图。 离子交换膜 最初燃料电池中的有机基阳离子交换膜构想由William T. Grubbs在1959年提出。最终发展了全氟磺酸聚合物。 目前通常使用的是由Du Pont公司研制的离子交换膜（Nafion），它是通过在侧链上规则重复的磺酸位点来获得离子传输特性。 在大多数情况下磺酸位点的数量决定离子的导电性。 即使大部分聚合物被氟化，赋予膜的主体高度疏水的特性，磺酸位点依旧是是亲水的。膜可以获得的水含量的程度是与离子位点成正比，结果是膜的导电性，气体渗透性和机械性能由水含量决定。 离子交换膜是聚合物电解质燃料电池的核心部分 离子交换膜的功能包括： 1.提供导电路径，让阳离子或阴离子通过，形成电流。 2.隔绝反应气体，以免氢气与氧气在电极表面发生反应。 多孔背衬层 背衬层通常基于碳，并且可以是布形式，无纺压制碳纤维构造，或简单地是毡状材料。该层结合有疏水材料，例如聚四氟乙烯，聚四氟乙烯的功能是防止水“积聚”在孔隙体积内，使得气体自由地接触催化剂位点。此外，其有助于阴极上的产物水去除，因为其在背衬材料的通道内产生非润湿表面。 聚合物膜夹在两片多孔背衬介质之间。多孔背衬层的功能包括： 1）充当气体扩散器 2）提供机械支撑 3）提供电子的电通路。 催化剂层 催化剂层与其粘合剂一体形成电极。在任一情况下，催化剂颗粒和交换膜的亲合程度对于质子迁移率是十分关键的。粘合剂执行多个功能。其中将层状结构中的催化剂颗粒“固定”，有助于电极的整体结构。该结构与性能有直接关系。 对于聚合物电解质燃料电池，设计提高铂的利用率，降低其用量和寻找新的价格较低的非贵金属催化剂成为了电催化剂的研究目标与方向。 与离子交换膜和多孔背衬层紧密接触的是催化剂层 对于聚合物电解质燃料电池，催化剂常使用贵金属Pt 低温燃料电池多使用Pt为催化剂，高温燃料电池（MCFC SOFC）可使用镍为催化剂 温度对聚合物电解质燃料电池的影响 低温运行（80℃） PEFC的低操作温度具有优点和缺点。低温操作是有利的，因为电池可以从环境条件快速启动。另一方面，是含有一氧化碳的燃料流的缺点，因为碳将攻击铂催化剂位点，掩盖催化活性和降低电池性能。80℃下仅允许几ppm的CO。由于CO影响阳极，重整和转移的烃含有约1％的CO，所以还需要消除燃料气体中的CO。低操作温度还意味着从燃料电池仅可获得很少热量用于吸热重整。 高温运行（160℃） PEFC开发使用新的离子交换膜聚苯并咪唑（PBI）在160°C范围内的操作。较高的操作温度可以通过消除铂位点的CO吸留而消除CO中毒。此外，该操作方式提供更高质量的热量以用于固定热电联产(CHP) 聚合物电解质燃料电池的水管理 由于在低于100℃和大气压下操作，产生液态水。 关键的要求是保持电解质中的高含水量以确保高离子电导率。 当在高电流密度（约1A / cm 2）下操作时，保持高水含量是特别关键的，因为与水形成和分布相关的质量传输问题限制了电池输出。 当膜完全饱和时，电解质的离子电导率较高。如果没有足够的水管理，在水生产和除去水之间将发生不平衡。 研究发现如果有太多的水可用，电极可能淹没并且反应物可能被稀释，而如果太少，则膜可能脱