燃料电池质子交换膜燃料电池题材.ppt

Catalyst layer Power density at 0.6V (mW/cm2) Max power density (mW/cm2) Commercial MEA, 0.4 mg Pt/cm2 34 50 15 nm thin-film Pt, 0.04 mg Pt/cm2 17 33 真空溅射电极与普通电极性能比较 干燥氢、氧(0.1MPa);膜、Nafion 115；电池温度室温 最大功率密度 5 ：3 Pt担量 10 ：1 真空溅射电极特点 极大减薄催化层厚度，Pt 担量显著降低 改善MEA内部电接触 在大电流密度放电时，减小了传质阻力 制备工艺复杂，制造成本较高，不适用于大批量生产 表面溅射的Pt层，增加了气体向催化层传递及排水阻力 寿命与稳定性较差 不同催化层电极性能比较 E1:厚层憎水电极，厚40μm，0.3mgPt/cm2 E3:薄层亲水电极，厚＜5μm，0.02mgPt/cm2 厚层憎水与薄层亲水电极 以纯氢及53ppm CO/H2时的电池性能 厚层 厚层 薄层 薄层 1.气体扩散层 2.外层催化层：Pt－Ru/C 厚层憎水 氧化 CO/H2 3.内层催化层：Pt/C 亲水薄层 氧化纯H2 4.Nafion膜 阳极复合催化层结构 多孔介质中的传质速度：H2 ＞ CO， Pt-Ru/C电催化剂上的吸附：CO ＞ H2 2.4 双层催化层电极设计 单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（纯氢燃料） E5：外层催化层：Pt－Ru/C Pt 20％，Ru 10％ 厚层憎水 （40μm） 内层催化层：Pt/C Pt 0.02 mg/cm2 亲水薄层（＜5μm） E2：Pt－Ru/C单层憎水催化层电极 H2/H2+CO：双层电极性能优于传统厚层憎水电极 双层 单层 单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（H2+50ppmCO） 双层 单层 展望 目前提出了多种电极制备方法，通过优化结构进一步提高了的PEMFC性能； Pt担量降低。目前商用MEA Pt担量为0.4mg/cm2左右，实验室制备MEA Pt担量已经降低到0.1mg/cm2以下; 厚度减薄，实验室制备＜1μm。 传统厚层憎水电极比较厚、Nafion与Pt 颗粒的 接触不充分以及CL与PEM之间的界面结合稳定性差； 薄层亲水电极气体传递较差； 真空溅射工艺复杂，成本高，不易大批量生产。 提高催化剂活性，降低催化剂担量； 提高薄层电极寿命与稳定性； 根据不同电极特点，复合制备工艺。 非氟聚合物质子交换膜的研究 非氟聚合物质子交换膜研究背景 非氟聚合物质子交换膜的分类 非氟聚合物质子交换膜的研究现状 非氟聚合物质子交换膜的发展趋势 质子交换膜应具备的条件 高的质子传导性 10-2 S/cm 良好的化学与电化学稳定性 膜具有低反应气体渗透系数 膜具有一定干态或湿态机械强度 膜具有很好的热稳定性 非氟质子交换膜研究背景 优点： 良好的化学稳定性； 较高的质子电导率； 缺点： 价格昂贵；500～800 $/m2 玻璃化温度较低不适合高温操作； F污染； 开发价格低廉，性能优异的非氟PEM 非氟质子交换膜研究背景 全氟磺酸质子交换膜- Nafion 3000-5000 Yuan/m2 优点： 价格低廉； 玻璃化温度较高适合高温操作； 机械强度高； 缺点： 抗氧化性差 易降解 非氟磺酸质子交换膜： 非氟聚合物质子交换膜分类 聚合物均质膜 骨架直接磺化非氟聚合物膜 取代基磺化的聚合物膜 先磺化单体，后聚合类聚合物膜 非氟复合膜 聚合物/无机酸复合体系 聚合物/纳米无机粒子复合体系 聚合物/聚合物复合体系 悬垂链、增加柔韧度，提高质子导电率 聚合物均质膜 骨架直接磺化非氟聚合物膜 直接磺化性能优异的一些芳香族聚合物 聚苯并咪唑（PBI） 聚苯乙烯（PS） 聚醚醚酮（PEEK） 聚苯硫醚（PPS）等 S－PEEK 反应一般都发生在苯环上的活性位置上，由于苯环上带有供电基团(如-O-键)使磺酸根的酸性减弱，降低了质子电导率 空间位阻的作用使其磺化度不高，且聚合物的溶解性和电导率受到一定的影响 质子交换膜燃料电池 Proton exchange membrane fuel cell-----PEMFC 主要内容 1 PEMFC分类及其工作原理 2 电极的分类及其制作 3 非氟聚合物质子交换膜 1. 质子交换膜燃料电池 氢氧燃料电池------- hydrogen oxygen fuel cell 直接甲醇燃料电池-----