新能源汽车概论 教案 3.1-2 二、、质子交换膜燃料电池.doc

科目

新能源汽车概论

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2课时

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教学方法

讲授法

章节

名称

3.1燃料电池电动汽车二、、质子交换膜燃料电池

教学

目标

能够描述质子交换膜燃料电池单体结构。

能够阐述质子交换膜的要求。

能够阐述质子交换膜燃料电池工作原理。

教学重点

和难点

重点

质子交换膜燃料电池单体结构。

难点

质子交换膜燃料电池工作原理。

教学流程

教学过程

备注

新课引入

“你们知道电动汽车是如何工作的吗？”“有没有一种电池可以在不燃烧燃料的情况下产生电能？”

教学内容

教学内容

教学内容

1.质子交换膜燃料电池单体结构

质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、双极板、端板、密封垫片、气体通道等组成。

(1)膜电极膜电极是质子交换膜与两侧的气体扩散层(阴、阳电极)通过热压而成的结合体。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，其结构如图3-8所示。质子交换膜是一种厚度仅为50μm的薄膜片，是电极活性物质(催化剂)的基底。由于结构、工艺和生产批量等方面的原因，质子交换膜的制造成本很高。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心技术，其化学、物理性质对质子交换膜燃料电池性能的影响极大。因此，对质子交换膜有如下要求:

1）质子交换膜表面与催化剂之间有良好的结合性能。

2）应具有一定的含水率。

3）在当前极薄的结构尺寸设计下还应该具有一定的机械强度。

4）在电池工作时具有良好的化学稳定性。

5）具有良好的离子导电性能。

催化剂是质子交换膜燃料电池的另一项核心技术。为了加速正极上氢气的氧化反应和负极上氧气的还原反应，在气体扩散的电极上放有一定量的催化剂。

目前的催化剂通常会采用金属铂。金属铂是价格比较昂贵的资源。刚开始的膜电极是将金属铂直接通过热压技术压到电解质膜的两侧。采用这种方法使得铂的实际用量较高，从而导致了燃料电池的成本过高。如今通过采用碳载铂的技术和涂膏法、浇注法、滚压法、电化学催化法等制备工艺，大大提高了金属铂的利用率，从而使燃料电池的成本能够控制可控范围之内。

好的气体扩散电极需要有一定的的亲水性和疏水性，可以确保催化剂工作时处于最佳的环境，同时还能把反应生成的水及时排出去，从而避免电极全是水。

(2)双极板双极板又叫集流板，安装位置在膜电极的两侧，可把各个电池单体串联起来。

双极板的两端分别与相邻两电池单体的阳极和阴极接触，这样可以不使用导线就可把各电池单体串联在起来。双极板不仅有导电和串联各电池单体作用，还能够利用它表面的导流槽起到一定的导流燃料、氧气及冷却水的作用。

2.质子交换膜燃料电池工作原理

（1）阳极进入的氢气通过双极板经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂位置，接着在阳极催化剂的作用下，氢分子分解为H＋(氢离子)和e－(电子)。

阳极处的反应式：2H2→4H＋+4e－

（2）外部电路氢离子穿过膜电极到达阴极催化剂层，而电子则由双极板收集，通过外电路到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。

（3）阴极在电池阴极一侧，氧气通过阴极集流板(双极板)经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的e－(电子)发生反应生成水，完成阴极反应；电极反应生成的水大部分由尾气排出，一小部分在压力差的作用下通过膜电极向阳极扩散。

阴极处的反应式：O2+4e－+4H＋→2H2O

总反应式：2H2+O2→2H2

课堂小结

质子交换膜燃料电池单体结构。

质子交换膜的要求。

质子交换膜燃料电池工作原理。

本课作业

课后反思