文档介绍：质子交换膜燃料电池
工作原理
质子交换膜型燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质,铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂,氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂,带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
由图可知,构成PEMFC的关键材料与部件为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换膜和双极板。
PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应:
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极,氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水。生成的水不稀释电解质,而是通过电极随反应尾气排出。
总的反应:
阳极反应:
阴极反应:
发展简史
20世纪60年代,美国首先将PEMFC用于双子星座航天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜,在电池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短,且还污染了电池的生成水,使宇航员无法饮用。
其后,尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜,延长了电池寿命,解决了电池生成水被污染的问题,并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。
但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标,让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC),造成PEMFC的研究长时间内处于低谷。
1983年,加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下,FEMFC取得了突破性进展。
采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟磺酸膜,使电池性能提高数倍。
接着又采用铂炭催化剂代替纯铂黑,在电极催化层中加入全氟磺酸树脂,、阳极与膜热压到一起,组成电极-膜-电极“三合一”组件(membrane-electrode-assembly,MEA)。
这种工艺减少了膜与电池的接触电阻,并在电极内建立起质子通道,扩展了电极反应的三相界面,增加了铂的利用率。不但大幅度提高了电池性能,,-2w/cm2,电池组的质量比功率和体积比功率分别达到700w/kg和1000w/L。
三. 特点与用途
除了具有FC的一般优点外,PEMFC还具有:
室温下快速启动
无电解质液流失
比功率和比能量高
寿命长。
可用于分散电站,移动电源,是电动车、移动通讯和潜艇等的理想电源,也是最佳的家庭动力源。
四. 电极
PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少有两层构成:起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行的催化层。
催化层
扩散层
电极结构示意图
(一)扩散层
功能:
1)起支撑作用,为此要求扩散层适于担载催化层,扩散层与催化层的接触电阻要小;催化层主要成分是Pt/C电催化剂,故扩散层一般选炭材制备;
2)反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应,因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布,有利于传质。