质子交换膜燃料.ppt

1 发展简史 1960年美国通用汽车公司开发的PEMFC用于双子星座动力源。 20世纪70年代美国杜邦公司研制出了全氟磺酸膜。 1968年到1984年PEMFC的研究处于低谷。 20世纪80年代中期由于电池材料和制备技术的发展，又掀起了PEMFC的研发热潮。 1993年Ballard公司研制出了以PEMFC为动力源的公共汽车。 2001年Ballard公司建成了世界第一个燃料电池厂。 之后许多汽车公司相继开发出了燃料电池汽车。 工作原理 优点 缺点 电池结构 燃料电池堆 电极催化剂 对催化剂的要求 （1）要有高的电催化活性，对副反应抑制 （2）要有高的电催化稳定性，主要防止CO中毒 （3）要有大的比表面积 （4）要有适当的载体，常用的有活性炭、炭黑，近几年 纳米管、导电聚合物被广泛研究 （5）要有好的导电性 催化剂的选择 阳极催化剂 早期采用镍、钯，后来使用铂黑，但由于铂黑的粒度较大，分散度较低，导致铂的利用率低。现在多采用Pt/C作为阳极反应的催化剂。 H2中含有的CO和CO2均会使Pt催化剂中毒 如何解决CO中毒 在工作温度为80℃，电流密度为500mA/cm2,从下表中可以做出比较 阴极催化剂 一般采用Pt,因为在所有的元素中，Pt对氧还原的电催化性能最好 过渡金属与Pt的二元和三元复合催化剂催化性能要高于Pt催化剂，如Pt-Co、Pt-Fe、 Pt-Cr-Cu、Pt-Co-Ga等。 另外，Pt与过渡金属氧化物的复合催化剂也有很高的电催化活性，如Pt-WO、 Pt-TiO2、Pt-Cu-MOx 催化剂的制备 （3）固相反应方法 扩散层 电极的组成、种类和制备方法 质子交换膜 质子交换膜不只是一种隔膜材料，也是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。 PEMFC曾采用过酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜等，研究表明全氟磺酸型膜是目前最实用的PEMFC电解质，其中最为流行的是Nafion膜和DOW膜。 Nafion膜的质子传递机理 “离子簇网络模型” 离子簇的直径约4nm，离子簇之间的间距一般在 5nm左右。离子簇的周壁带有负电荷的固定离子，且通道狭窄，因而对于带负电且水合半径较大的OH-离子的迁移阻力远远大于H+，这也正是离子膜具有选择透过性的原因。 Nafion膜的性能 （1）质子导电性好，但H+的迁移必须伴随水的迁移，而有 水时会影响气体扩散和带入杂质离子 （2）干的Nafion机械强度好，有水时机械强度降低 （3）化学稳定性好，很好的抗H2O2的能力 Nafion膜的改性 替代膜 双极板 流场 5 商业化问题 Nafion膜的问题 （1）价格高。每平方米的价格在500~800美元 （2）膜内水量的控制。膜内相对湿度为30%时H+导电率 严重下降，15%时已成绝缘体 （3）由于膜内必须有水，电池处于0℃以下时水结冰会破 坏膜 Nafion膜本身的改性 （1）聚合物改性Nafion膜 方法 ①Nafion膜直接与阻醇性能优异的聚合物制成复合膜 ④将聚合物嫁接或交联到Nafion膜上 ②将Nafion溶液与聚合物单体共混后聚合形成共混膜 ③在Nafion膜表面沉积或涂覆阻醇性能优异的薄膜, 形成类似“三明治”的Nafion复合膜 (2)有机/无机复合Nafion膜 1）Nafion/MMT复合膜 方法：利用蒙脱土（MMT)和改性蒙脱土（m- MMT) 与Nafion树脂混合制成纳米复合膜 特点 热稳定性无大的改变 对甲醇的阻隔性能提高了 阻醇性能随MMT的含量增加而增加，但电导率 则随之下降 结果 （1）这种膜的甲醇渗透率比Nafion膜要少3~4倍 （2）纯膜制备的MEA的性能在90~110内随温度的 上升而提高，以后迅速下降 （3）这种膜在125℃以上性能仍然较好 （4）该膜电导率比Nafion膜要低 2）Nafion/Zeolite复合膜 Tricoli等将沸石作为填充剂加入Nafion膜中，以增加膜的离子选 择性，以让质子自由通过，而不让甲醇分子透过复合膜。所选 沸石为菱沸石和斜发沸石 3）