质子交换膜燃料电池

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1、质子交换膜燃料电池能源电化学(ProtonExchangeMembraneFuelCell)主要内容41235发展简史工作原理特点商业化问题关键部件发展简史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。图1-1“U31”

2、号潜艇图1-2日本展示的首款燃料电池机器人“Speecys-FC”工作原理阳极反应：H2→2H++2e-阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O总反应：1/2O2+H2→H2O(E0=1.14V)优点能量转换效率高环境友好，可实现”低排放”或“零排放”，是环保型能源运行噪声低，可靠性高维护方便。发电效率受负荷变化影响小所用燃料易得缺点膜的价格高，生产所需技术高，能生产的厂家少对CO敏感，需要尽可能降低燃料中CO的浓度，以避免催化剂中毒催化剂成本较高。由于以贵金属铂作为催化剂，因此催化剂成本较高电池结构双极板扩散层催化层质子交换膜催化层扩散层双极板PEMFC的核心部件为

3、膜集合体。将阳极、质子交换膜与阴极结合层的三明治结构的单一组件成为膜电极集合体MEA(MembraneElectrodeAssembly)。MEA单体电池：三合一膜电极，双极板燃料电池堆电堆（板框压滤机式）燃料气、氧气供给系统，加湿系统，冷却系统，控制系统组成电池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

4、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H2中CO含量（体积分数）电极有效面积（与纯H2相比）10-553%10-416%如何解决CO中毒(1)降低CO含量渗氧法在燃料增湿器中加入少量的H2O2(2)研究抗CO中毒的催化剂，主要采用Pt复合催化剂如Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Mo、Pt-Cr、Pt-Mn、Pt-PdPt-Ir等。研究表明上述复合催化剂中，Pt-Ru性能最好，且质量比为1：1时催化性能最佳。在工作温度为80℃，电流密度为500mA/cm2,从下表中可以做出比较催化剂种类燃料成分输出电压Pt/C纯H

5、2Pt/C80%H2、20%CO210-5CO（体积分数）下降50mVPt-Ru/C80%H2、20%CO210-4CO（体积分数）下降35mV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(1)普通液相还原炭分散在乙醇中缓慢加入H2PtCl6,再滴加RuCl3,并煮沸滴加还原剂搅拌，过滤，干燥Pt-Ru

6、催化剂（2）溶胶-凝胶法催化剂前驱体在有机溶剂中还原制备溶胶，再在活性炭上吸附既得催化剂该方法由Bonnemann首次报道（PtCl2作为前驱体），最近一些研究组在多元醇、乙醇或甲醇系列中制备催化剂，过程大大简化（3）固相反应方法由于固相体系中粒子碰撞几率低，因此所得金属粒子平均粒径小，例如固相条件下，H2PtCl6、聚甲醛及活性炭合成的催化剂中Pt的平均粒径为3nm,而液相还原法中为8nm（4）预沉淀法H2PtCl6水溶液和活性炭混合搅拌下加入铵盐NH4PtCl6沉积到炭上加还原剂还原便得Pt粒子较小的催化剂扩散层扩散层的功能（1）碳纤维纸（2）碳纤维编织布（3）无纺布

7、（4）炭黑纸扩散层的主要材料（1）支撑催化层。（2）使气体反应物通过扩散层扩散到催化层。（3）传递由催化层产生的电流。气体扩散层必须满足的要求1）均匀的多孔质结构，透气性能好2）结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能3）具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性4）适当的亲水/憎水平衡，防止过多的水分阻塞空隙而导致气体透过性能下降5）具有化学稳定性和热稳定性6）制造成本低，性能价格比高气体扩散层的制备方法将碳纸或碳布浸入PTFE乳液中，使其载上50%左右的PTFE，然后在340℃左右热处理，使PTFE乳液中的表面活性剂分解，