燃料电池1解析ppt课件

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1、燃料电池燃料电池燃料电池燃料电池池玉娟池玉娟黑龙江大学化学化工学院黑龙江大学化学化工学院燃料电池池玉娟气体扩散电极英文名 Gas diffusion electrode，是一种特制的多孔膜电极，由于大量气体可以是一种特制的多孔膜电极，由于大量气体可以到达电极内部，且与电极外面的整体溶液（电到达电极内部，且与电极外面的整体溶液（电解质）相连通，可以组成一种解质）相连通，可以组成一种三相（固、液、三相（固、液、气）膜电极气）膜电极。第二节第二节 多孔气体扩散电极多孔气体扩散电极气体扩散电极英文名 Gas diffusion electr它既有足够的它既有足够的“气孔气孔”，使反应气体容易传递到电极

2、上，使反应气体容易传递到电极上，又有大量覆盖在催化剂表面的薄液层。又有大量覆盖在催化剂表面的薄液层。催化剂（如铂黑）的粉粒分散在多孔膜中，并通过薄液催化剂（如铂黑）的粉粒分散在多孔膜中，并通过薄液层的层的“液孔液孔”与电极外面的电解质溶液连通，以利于液与电极外面的电解质溶液连通，以利于液相反应物和产物的迁移。相反应物和产物的迁移。气体进入扩散电极发生催化反应，并产生电流，由此可气体进入扩散电极发生催化反应，并产生电流，由此可测出气体的含量，常用于监测气体中某些微量组分。测出气体的含量，常用于监测气体中某些微量组分。用气体扩散电极制成的小型监测器用于监测环境、工厂、用气体扩散电极制成的小型监测器

3、用于监测环境、工厂、矿场空气中某些微量的有害气体矿场空气中某些微量的有害气体 它既有足够的“气孔”，使反应气体容易传递到电极上，又有大量覆1.燃料电池一般以氢为燃料，以氧为氧化剂。燃料电池一般以氢为燃料，以氧为氧化剂。由于气体在电解质溶液中的溶解度很低，因此在反由于气体在电解质溶液中的溶解度很低，因此在反应点的反应剂浓度很低。应点的反应剂浓度很低。2.为了提高燃料电池实际工作电流密度，减少极化，为了提高燃料电池实际工作电流密度，减少极化，需增加反应的真实表面积，此外还应尽可能减少液相需增加反应的真实表面积，此外还应尽可能减少液相传质的边界层厚度。传质的边界层厚度。多孔气体扩散电极就是在这种要求

4、下研制成功的。多孔气体扩散电极就是在这种要求下研制成功的。燃料电池的电极为何设计为多孔气体扩散电极燃料电池的电极为何设计为多孔气体扩散电极?燃料电池的电极为何设计为多孔气体扩散电极?多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极的的比比表表面面积积不不但但比比平平板板电电极极提提高高了了35个个数数量量级级，液液相相传传质质层层的的厚厚度度也也从从平平板板电电极极的的10-2cm压压缩缩到到10-5cm10-6cm，从从而而大大大大提提高高了了电电极极的的极极限限电电流流密密度度，减减少了浓差极化。少了浓差极化。多孔气体扩散电极的出现使燃料电池由原理研究发展到实用多孔气体扩散电极的出现使燃料电池由原理研究发

5、展到实用阶段。阶段。多孔气体扩散电极的比表面积不但比平板电极提高了35如何在多孔气体扩散电极内部保持反应区稳定如何在多孔气体扩散电极内部保持反应区稳定？（通称此区为三相界面）（通称此区为三相界面）在在Bacon型电池中，是以电极的双孔结构保持三相界面的稳定；型电池中，是以电极的双孔结构保持三相界面的稳定；在粘结型多孔气体扩散电极内，是用聚四氟乙烯这类憎水剂在粘结型多孔气体扩散电极内，是用聚四氟乙烯这类憎水剂（使电极有一定憎水性）形成三相界面并保持稳定。（使电极有一定憎水性）形成三相界面并保持稳定。聚四氟乙烯含量一般从百分之几到百分之几十，加入量不能太聚四氟乙烯含量一般从百分之几到百分之几十，加

6、入量不能太多，否则影响电极的导电能力。多，否则影响电极的导电能力。如何在多孔气体扩散电极内部保持反应区稳定？在Bacon型电(1)(1)高的真实比表面积，即为多孔结构高的真实比表面积，即为多孔结构(2)(2)高高的的极极限限扩扩散散电电流流密密度度，为为此此必必须须确确保保在在反反应应区区液液相相 传质层很薄传质层很薄(3)(3)高的交换电流密度，即采用高活性的电催化剂高的交换电流密度，即采用高活性的电催化剂(4)(4)保持反应区的稳定保持反应区的稳定(5)(5)对对于于反反应应气气体体与与电电解解质质等等压压或或反反应应气气体体压压力力低低于于电电解解 液力的电极，在电极气体侧需置有透气阻液

7、层。液力的电极，在电极气体侧需置有透气阻液层。气体扩散电极必须具备哪些特点？气体扩散电极必须具备哪些特点？气体扩散电极必须具备哪些特点？气体扩散电极的结构与功能气体扩散电极的结构与功能结构结构1)从电极的厚度上分，从电极的厚度上分，有厚度达毫米级的有厚度达毫米级的厚层电极厚层电极，也有厚度仅为几微米的也有厚度仅为几微米的薄层电极薄层电极2)从建立稳定的三相界面从建立稳定的三相界面(反应区反应区)上分：上分：双孔结构电极双孔结构电极、憎水剂稳定的三相界面的憎水剂稳定的三相界面的，还有还有依据气体压力与毛细力和电极与电解质隔膜的孔径分布依据气体压力与毛细力和电极与电解质隔膜的孔径分布相匹配来稳定反

8、应区相匹配来稳定反应区气体扩散电极的结构与功能双层电极双层电极 电极用金属粉末和适当的多孔性填料分层压制，并烧电极用金属粉末和适当的多孔性填料分层压制，并烧结而成，电极中的结而成，电极中的细孔层面向电解质，粗孔层面向气细孔层面向电解质，粗孔层面向气室。室。如果金属粉末本身不具备催化剂的性能，还要通过如果金属粉末本身不具备催化剂的性能，还要通过浸渍等方法在孔内沉积催化剂浸渍等方法在孔内沉积催化剂 双层电极双孔结构电极结构示意图双孔结构电极结构示意图双孔结构电极结构示意图 防水电极防水电极 通常用催化剂粉末（有时还加入导电性粉末）和疏通常用催化剂粉末（有时还加入导电性粉末）和疏水性微粒混合后辗压或

9、喷涂，再经适当的热处理后制水性微粒混合后辗压或喷涂，再经适当的热处理后制成。成。常用的疏水性材料为聚乙烯、聚四氟乙烯等。常用的疏水性材料为聚乙烯、聚四氟乙烯等。催化剂（如铂黑）粉末的表面是亲水的，在它的外表催化剂（如铂黑）粉末的表面是亲水的，在它的外表面上都形成了可用于进行气体电极反应的薄液层。面上都形成了可用于进行气体电极反应的薄液层。防水电极PTFEPTFE粘结剂型电极结构示意图粘结剂型电极结构示意图PTFE粘结剂型电极结构示意图 微孔隔膜电极微孔隔膜电极 电池由两片用催化剂微粒制成的电极和微孔隔膜层（如石棉电池由两片用催化剂微粒制成的电极和微孔隔膜层（如石棉纸膜）结合而成。纸膜）结合而成

10、。所用隔膜内部微孔的孔径比电极内微孔的孔径更小，所以加入的所用隔膜内部微孔的孔径比电极内微孔的孔径更小，所以加入的电解液首先被隔膜吸收，然后才用于浸湿电极。如果电解液的量电解液首先被隔膜吸收，然后才用于浸湿电极。如果电解液的量适当，可使电极处在适当，可使电极处在“半干半湿半干半湿”状态，其中既有大面积的薄液状态，其中既有大面积的薄液膜层，又有一定的气孔。这种电极容易制备，催化剂利用效率较膜层，又有一定的气孔。这种电极容易制备，催化剂利用效率较高，而且不会漏气或漏液。高，而且不会漏气或漏液。微孔隔膜电极以以典典型型氧氧还还原原反反应应分分析析多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极应应具具备备的的基基本

11、本功功能能反应为反应为O24H+4e2H2O1.为使该反应在电催化剂（如为使该反应在电催化剂（如R）处连续、稳定地进行，电子）处连续、稳定地进行，电子必必须传导到反应点，即须传导到反应点，即电极内必须有电子导电通道电极内必须有电子导电通道；2.反应气（如氧）必须迁移、扩散至反应点，反应气（如氧）必须迁移、扩散至反应点，即即电极内必须有气体传导通道；电极内必须有气体传导通道；3.还必须有离子（如还必须有离子（如H+）参加反应，）参加反应，即即电极内必须有离子通道；电极内必须有离子通道；4.对低温电池（如对低温电池（如PEMFC)，电极反应生成的液态水必须离开，电极反应生成的液态水必须离开电极，电

12、极，即电极内必须有液态水，传导通道即电极内必须有液态水，传导通道。以典型氧还原反应分析多孔气体扩散电极应具备的基本功能 反多孔气体扩散电极应具备的基本功能多孔气体扩散电极应具备的基本功能1.为电极反应提供为电极反应提供电子导电通道电子导电通道；2.为反应气（如氧）的迁移、扩散提供为反应气（如氧）的迁移、扩散提供气体传导通道气体传导通道3.为电解质离子（如为电解质离子（如H+）提供）提供离子通道；离子通道；4.为电极反应生成的液态水的为电极反应生成的液态水的传导通道传导通道。多孔气体扩散电极应具备的基本功能 1.用用Pt/C电电催催化化剂剂制制备备的的PEMFC电电极极，电电子子通通道道由由Pt

13、/C电电催化剂承担，催化剂承担，Pt/C催化剂构成的微孔为水的通道，催化剂构成的微孔为水的通道，2.电电极极内内加加入入的的防防水水粘粘结结剂剂（如如PTFE）是是气气体体通通道道的的主主要要提供者，提供者，3.向电极内加入的全氟磺酸树脂构成向电极内加入的全氟磺酸树脂构成H+通道，通道，即即，由由催催化化剂剂、憎憎水水剂剂PTFE和和离离子子导导体体全全氟氟磺磺酸酸树树脂脂构构成成的的电电催催化化层层可可视视为为三三网网络络结结构构的的电电极极电电催催化化层层，从从而而实实现现了了电极立体化电极立体化。这这一一工工艺艺大大大大提提高高了了PEMFC电电极极有有效效反反应应面面积积和和Pt/C催

14、催化化剂的利用率。剂的利用率。质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电极为何为立体化的？的电极为何为立体化的？1.用Pt/C电催化剂制备的PEMFC电极，电子通道由Pt综上所述，电极性能不仅依赖于电催化剂活性，综上所述，电极性能不仅依赖于电催化剂活性，还与电极各种组分配比、电极孔分布与孔隙率、还与电极各种组分配比、电极孔分布与孔隙率、电导等因素密切相关。电导等因素密切相关。综上所述，电极性能不仅依赖于电催化剂活性，还与电极各种组分配第三节第三节 电催化与电催化剂电催化与电催化剂第三节 电催化与电催化剂1.电催化电催化电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的一种电极与电解质界面上

15、的电荷转移反应得以加速的一种催化作用。催化作用。主要特点：主要特点：电催化的反应速度不仅仅由电催化剂的活性决定，而电催化的反应速度不仅仅由电催化剂的活性决定，而且还与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。且还与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。1.电催化由由于于双双电电层层内内的的电电场场强强度度很很高高，对对参参加加电电化化学学反反应应的的分分子子或或离离子子具具有有明明显显的的活活化化作作用用，反反应应所所需需的的活活化化能能大大大大降降低低。所所以以，大大部部分分电电催催化化反反应应均均可可在在远远比比通通常常化化学学反反应应低低得得多多的的温温度下进行。度下进行。例例如如，在在铂铂黑黑

16、电电催催化化剂剂上上可可使使丙丙烷烷于于150200完完全全氧氧化化为二氧化碳和水。为二氧化碳和水。由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的分子或离子具有2.电极过程动力学方程：电极过程动力学方程：式中：式中：为过电位（原电池为一，电解池为）；为过电位（原电池为一，电解池为）；i为电流密度；为电流密度；i0为交换电流密度；为交换电流密度；为对称因数。为对称因数。由由上上述述方方程程式式可可知知，过过电电位位为为电电流流产产生生的的驱驱动动电电位位，可可通通过过改变改变，来改变电化反应的速度。，来改变电化反应的速度。通常，当改变通常，当改变100mV时，反应速度即有几个数量级的变化。时，反

17、应速度即有几个数量级的变化。提高最有效的方法是：提高电催化剂的活性提高最有效的方法是：提高电催化剂的活性2.电极过程动力学方程：3.用于燃料用于燃料 电池的电催化剂必须满足下述要求：电池的电催化剂必须满足下述要求：1)是电的良导体是电的良导体2)在电极的工作电极电位范围内，并且有氧化剂在电极的工作电极电位范围内，并且有氧化剂(如氧如氧)或燃料或燃料(如氢如氢)存在下，耐受电解质的腐蚀存在下，耐受电解质的腐蚀3)对高温燃料电池，电催化剂与电解质隔膜材料在电池对高温燃料电池，电催化剂与电解质隔膜材料在电池工作条件下不应发生任何化学反应，即具有化学相容性。工作条件下不应发生任何化学反应，即具有化学相

18、容性。4)最重要的：最重要的：电催化剂对其催化电催化剂对其催化物过程物过程具有高的催化活性。具有高的催化活性。为此应考虑反应物在催化剂上形成的吸附键强度应适中为此应考虑反应物在催化剂上形成的吸附键强度应适中。3.用于燃料 电池的电催化剂必须满足下述要求：4.电催化剂种类：电催化剂种类：1)贵金属贵金属电催化剂电催化剂(铂族和银、金等铂族和银、金等)及及担载型纳米级贵金属电催化剂与炭载体担载型纳米级贵金属电催化剂与炭载体广泛用于磷酸燃料电池和质子交换膜燃料广泛用于磷酸燃料电池和质子交换膜燃料2)合金电催化剂合金电催化剂I抗抗CO中毒的贵金属合金电催化剂中毒的贵金属合金电催化剂Pt-RuPt-Sn

19、Pt-PdPt-NiIIPt与过渡金属合金电催化剂与过渡金属合金电催化剂Pt-VPt-CrPt-Cr-CoPt-V-Co4.电催化剂种类：3)镍基电催化剂镍基电催化剂(在碱性燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池中在碱性燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池中应用应用)Ni-CrNi-AlNi-YSZ4)混合型氧化物电催化剂混合型氧化物电催化剂：钙钛矿型氧化物：钙钛矿型氧化物RMO35)钨基电催化剂钨基电催化剂6)过渡金属大环缝合过渡金属大环缝合物电催化剂物电催化剂3)镍基电催化剂第四节第四节 双极板与流场双极板与流场1.双极板：双极板：起起集流、分隔氧化剂与还原剂集流、分隔氧化剂与还原剂并并引导氧化剂与还原剂在

20、电池内电极表面流动的引导氧化剂与还原剂在电池内电极表面流动的导电隔板导电隔板第四节 双极板与流场1.双极板：燃料电池1解析ppt课件双极板的功能与要求双极板的功能与要求1)分隔氧化剂与还原剂阻气功能分隔氧化剂与还原剂阻气功能2)集流电的良导体集流电的良导体3)热的良导体热的良导体，确保电池在工作时温度分布均匀并，确保电池在工作时温度分布均匀并使电池的废热顺利排除使电池的废热顺利排除4)具有抗腐蚀能力具有抗腐蚀能力5)双集板两侧应加入或置入通道双集板两侧应加入或置入通道(流场流场)，确保反应气，确保反应气体均匀分布体均匀分布双极板的功能与要求2.流场流场基本功能是引导反应剂基本功能是引导反应剂

21、在燃料电池气室内的流在燃料电池气室内的流动，确保电极各处均能获得充足的反应剂供应。动，确保电极各处均能获得充足的反应剂供应。至今已开发了点状、网状、多孔体、蛇形、交至今已开发了点状、网状、多孔体、蛇形、交指状等多种流场。指状等多种流场。双集板材料双集板材料碱性电解质可采用镍板碱性电解质可采用镍板酸性电池采用石酸性电池采用石 墨双集板墨双集板2.流场双集板材料燃料电池1解析ppt课件双极板的切削与加工双第五节第五节 质子交换膜型燃料电池质子交换膜型燃料电池1.原理与特点原理与特点第五节 质子交换膜型燃料电池1.原理与特点PEMFC中的电极反应中的电极反应:阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极

22、反应阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应:产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经电解质膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，即氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，即生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出PEMFC中的电极反应:燃料电池1解析ppt课件构成构成PEMFC电池的关键材料与部件电池的关键材料与部件:为电催化剂、电极（阴极与阳极）、为电催化剂、电极（阴极与阳极）、质子交换膜、双极板材料及其流场设计。质子交换膜、双极板材料及其流场设计。以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以以Pt/C或或Pt-Ru/C为电催化剂，为电催化剂，以

23、氢或净化重整气为燃料，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂，以空气或纯氧为氧化剂，以以带带有有气气体体流流动动通通道道的的石石墨墨或或表表面面改改性性金金属属板板为为双极板。双极板。构成PEMFC电池的关键材料与部件:PEMFC的特点的特点1.PEMFC具有燃料电池一般特点具有燃料电池一般特点（如能量转化效率高、环境友好等）（如能量转化效率高、环境友好等）2.可在室温下快速启动可在室温下快速启动3.无电解液流失无电解液流失4.水易排出水易排出5.寿命长、比功率与比能量高等寿命长、比功率与比能量高等PEMFC的特点用途用途特别适于作可移动动力源，特别适于作可移动动力源，是电动汽车和是电动

24、汽车和AIP推进潜艇的理想候选电源之一推进潜艇的理想候选电源之一是军民通用的可移动动力源是军民通用的可移动动力源是利用氯碱厂副产品氢气发电的最佳候选电源是利用氯碱厂副产品氢气发电的最佳候选电源在未来以氢作为主要燃料载体的氢能时代，在未来以氢作为主要燃料载体的氢能时代，PEMFC是最佳的家庭动力源。是最佳的家庭动力源。用途通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。发电系统。质子交换膜燃料电池发电系统由质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和

25、控制系统等构成电能变换系统和控制系统等构成。电堆是发电系统的核心。电堆是发电系统的核心。发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加湿、加湿、升温升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气空气)流带流带出。未反应的出。未反应的(过量的过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆

26、循环使用，在开放空间也可以直接排放到可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。空气中。通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成2.PEMFC电极结构PEMFC电极是一种电极是一种多孔气体扩散多孔气体扩散电极，电极，一般由一般由扩散层和催化层扩散层和催化层组成。组成。扩散层的作用扩散层的作用是支撑催化层、收集电流，并为电是支撑催化层、收集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道；化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道；催化层催化层则是发生电化学反应的场所，是电极的核则是发生电化学反应的场所，是电极的核心部分心部分。2.PEMFC电极结构

27、PEMFC电极是一种多孔气体扩散电极电极扩散层电极扩散层一般由碳纸或碳布制作，一般由碳纸或碳布制作，厚度为厚度为0.20mm0.30mm。其制备方法为：其制备方法为：首先将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液首先将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)中进中进行憎水处理，用称重法确定浸入的行憎水处理，用称重法确定浸入的PTFE量；量；再将浸好再将浸好PTFE的碳纸置于温度为的碳纸置于温度为330340烘箱内进烘箱内进行热处理，除掉浸渍在碳纸中行热处理，除掉浸渍在碳纸中PTFE所含有的表面活所含有的表面活性剂，同时使性剂，同时使PTFE热熔结，并均匀分散在碳纸的纤热熔结，并均匀分散在碳纸的纤维

28、上，从而达到优良的憎水效果。维上，从而达到优良的憎水效果。焙烧后碳纸中焙烧后碳纸中PTFE含量约为含量约为50。电极扩散层一般由碳纸或碳布制作，由由于于碳碳纸纸或或碳碳布布表表面面坑坑凹凹不不平平，对对制制备备催催化化层层有有影影响响，因此需要对其进行整平处理。因此需要对其进行整平处理。具体工艺过程为：具体工艺过程为：以以水水或或水水与与乙乙醇醇作作为为溶溶剂剂，将将乙乙炔炔黑黑或或碳碳黑黑与与PTFE配配成成重重量量为为1:1的的溶溶液液，用用超超声声波波震震荡荡，混混合合均均匀匀，再再使使其其沉沉降降；倒倒出出上上部部清清液液，将将沉沉降降物物刮刮到到经经憎憎水水处处理理的的碳碳纸纸或或碳

29、布上，对其表面整平。碳布上，对其表面整平。若若用用碳碳布布作作扩扩散散层层，也也可可以以不不预预先先进进行行憎憎水水处处理理，直直接接在其上进行整平处理。在其上进行整平处理。由于碳纸或碳布表面坑凹不平，对制备催化层有影响，因此需要对其电极催化层制备电极催化层制备1)经典的疏水电极催化层制备工艺经典的疏水电极催化层制备工艺催催化化层层由由Pt/C催催化化剂剂、PTFE及及质质子子导导体体聚聚合合物物（如如Nafion）组组成。成。其制备工艺为：其制备工艺为：将将上上述述三三种种混混合合物物按按一一定定比比例例分分散散在在50乙乙醇醇和和50的的蒸蒸馏馏水水中中，搅搅拌拌，用用超超声声波波混混合合

30、均均匀匀后后涂涂布布在在扩扩散散层层或或质质子子交交换换膜膜上上，烘烘干干，并热压处理，得到膜电极三合一组件。并热压处理，得到膜电极三合一组件。催化层厚度一般在几十微米左右。催化层厚度一般在几十微米左右。催化层中催化层中PTFE含量一般在含量一般在10%-50%（质量）之间。（质量）之间。电极催化层制备国外的研究结果认为：国外的研究结果认为：Nafion与与PTFE、电电催催化化剂剂共共混混制制备备的的电电极极性性能能不不如如催催化化层层制制备备后后再再喷喷涂涂Nafion好好，喷喷徐徐Nafion的的量量控控制制在在0.5mg/cm21.0mg/cm；催化层需经热处理，否则性能不稳定。催化层

31、需经热处理，否则性能不稳定。氧氧电电极极催催化化层层最最佳佳组组成成为为54%（质质量量）Pt/C,23%（质质量量）PTFE，23%（质量）（质量）Nafion。电电极极Pt担担量量为为0.1mg/cm2。催催化化层层孔孔半半径径在在10nm35nm之间，平均孔半径为之间，平均孔半径为15nm，没有检出小于，没有检出小于2.5nm的孔。的孔。国外的研究结果认为：2)薄层亲水电极催化层制备工艺薄层亲水电极催化层制备工艺在在薄薄层层亲亲水水电电极极催催化化层层中中，气气体体的的传传递递不不同同于于经经典典疏疏水水电电极极催催化化层层中中由由PTFE憎憎水水网网络络形形成成的的气气体体通通道道中中

32、传传递递，而而是是利利用用氧氧气气在在水水或或Nafion类树脂中溶解扩散传递。类树脂中溶解扩散传递。因此这类电极催化层厚度一般控制在因此这类电极催化层厚度一般控制在5mm左右。左右。对此厚度的催化层，氧气无明显的传质限制。对此厚度的催化层，氧气无明显的传质限制。该类亲水电极催化层的优点是：该类亲水电极催化层的优点是：有有利利于于电电极极催催化化层层与与膜膜的的紧紧密密结结合合，防防止止由由于于电电极极催催化化层层与与膜膜溶胀性不同而导致电极与膜分层；溶胀性不同而导致电极与膜分层；使使Pt/C催化剂与催化剂与Nafion型质子导体保持良好的接触；型质子导体保持良好的接触；有利于进一步降低电极的

33、有利于进一步降低电极的Pt担量。担量。2)薄层亲水电极催化层制备工艺制备工艺：制备工艺：(1)将将5%（质质量量）的的Nafion溶溶液液与与Pt/C电电催催化化剂剂（例例如如Pt含含量量为为19.8%）混合均匀，）混合均匀，Pt/C与与Nafion的质量比为的质量比为3:1；(2)加入水与甘油，控制质量比为加入水与甘油，控制质量比为Pt/C:H2O:甘油甘油=1:5:20；(3)超声波混合，使其成为墨水状态；超声波混合，使其成为墨水状态；(4)将将上上述述墨墨水水分分几几次次涂涂到到已已清清洗洗过过的的PTFE膜膜上上，并并在在135下下烘干；烘干；(5)将将带带有有催催化化层层的的PTFE

34、膜膜与与经经过过预预处处理理的的质质子子交交换换膜膜热热压压处处理，将催化层转移到质子交换膜上。理，将催化层转移到质子交换膜上。制备工艺：为为改改进进膜膜电电极极三三合合一一组组件件（MEA）的的整整体体性性，可可采采用用下下述两种方法：述两种方法：在制备电极时，加入少量在制备电极时，加入少量10的聚乙烯醇或二甲基亚砜；的聚乙烯醇或二甲基亚砜；提高热压温度。提高热压温度。为为此此，需需将将Nafion树树脂脂和和Nafion膜膜用用NaCI溶溶液液煮煮沸沸，使使其其转转化化为为钠离子型，此时热压温度可提高到钠离子型，此时热压温度可提高到150160，还还可可将将Nafion溶溶液液中中的的树树

35、脂脂转转化化为为季季胺胺盐盐型型（如如用用四四丁丁基基氢氢氧氧化化胺胺处处理理），再再与与经经过过钠钠型型化化韵韵Nafion膜膜压压合合，热热压压温温度度可可提提高高到到195。为改进膜电极三合一组件（MEA）的整体性，可采用下述两种方法我我国国对对亲亲水水电电极极制制法法进进行行了了改改进进，加加入入了了造造孔孔剂剂、PTFE等等憎憎水水剂剂，省省掉掉甘甘油油，使使制制备备方方法法简简单、快速。单、快速。制制备备的的电电极极铂铂担担量量已已降降到到0.08mg/cm2，催催化化剂剂利用率可以达到利用率可以达到30%，催化层厚度大约为，催化层厚度大约为5m。用用此此种种电电极极与与Nafio

36、n膜膜组组装装的的电电池池，性性能能可可达达到到750mA/cm2、0.7V。我国对亲水电极制法进行了改进，加入了造孔剂、PTFE等憎水剂3.电催化材料电催化材料PEMFC所用电催化剂均所用电催化剂均以以Pt为主催化剂为主催化剂组分。组分。为为提提高高Pt的的利利用用率率，Pt均均以以纳纳米米级级高高分分散散地地担担载载到到导导电电、抗腐蚀的碳担体上。抗腐蚀的碳担体上。所所选选碳碳担担体体以以碳碳黑黑或或乙乙炔炔黑黑为为主主，有有时时它它们们还还要要经经高高温温处理，以增加石墨特性。处理，以增加石墨特性。最最常常用用的的担担体体为为VulcanXC-72R碳碳，其其平平均均粒粒径径约约30nm

37、，比表面约，比表面约250m2/g。3.电催化材料PEMFC所用电催化剂均以Pt为主催化剂组分。采用化学方法制备采用化学方法制备Pt/C电催化剂的电催化剂的原料一般用铂氯酸原料一般用铂氯酸。制备路线分为两大类：制备路线分为两大类：一一是是先先将将铂铂氯氯酸酸转转化化为为铂铂的的络络合合物物，再再由由络络合合物物制制备备高高分分散散Pt/C电催化剂；电催化剂；二二是是直直接接从从铂铂氯氯酸酸出出发发，用用特特定定方方法法制制备备Pt高高分分散散的的Pt/C电催化剂。电催化剂。为为提提高高电电催催化化剂剂的的活活性性与与稳稳定定性性，有有时时还还加加入入一一定定量量的的过过渡渡金金属属，制制成成合

38、合金金型型（多多为为共共熔熔体体或或晶晶间间化化合合物物）电电催催化化剂。剂。为为了了提提高高在在低低温温工工作作的的PEMFC阳阳极极电电催催化化剂剂抗抗CO中中毒毒的的性能，多采用性能，多采用Pt-Ru/C贵金属合金电催化剂。贵金属合金电催化剂。采用化学方法制备Pt/C电催化剂的原料一般用铂氯酸。(1)Prototech公公司司1977年年申申请请专专利利U.S.P.4044193，提提出出了了先先制制备备Pt的亚硫酸根络合物的方法。的亚硫酸根络合物的方法。(2)先先用用碳碳酸酸钠钠溶溶液液中中和和铂铂氯氯酸酸溶溶液液，生生成成橙橙红红色色Na2Pt(C1)6溶溶液液，再再用用亚亚硫硫酸酸

39、氢氢钠钠调调节节溶溶液液pH值值至至4，溶溶液液先先转转为为淡淡黄黄色色直直至至无无色色，再再加加入入碳碳酸酸钠钠调调节节pH值值至至7，即即生生成成白白色色沉沉淀淀。此此沉沉淀淀物物中中1个个铂铂原原子子与与6个个钠钠原原子子、4个个SO32-基基团团相相结结合合。将将其其与与水水调调成成溶溶浆浆，经经两两次次与与氢氢型型离离子子交交换换树树脂脂进进行行交交换换，可可制制得得亚亚硫硫酸酸根根络络合合铂铂酸酸化化合合离离子子。经经分分析析确确认认，该该络络合合离离子子仅仅含含有有H、O、Pt和和S，无无氯氯存存在在。其其中中Pt、S原原子子比比为为1:2，硫硫以以亚亚硫硫酸酸根根形形式式存存在

40、在，该该络络合合离离子子是是三三价价的的，二二个个H时时表表现现为为强强酸酸，一一个个时时为为弱弱酸酸。在在空空气气中中于于135加加热热这这一一络络合合离离子子，得得到到黑黑色色、玻玻璃璃状状态态的的物物质质。将将它它分分散散在在水水中中，即即制制得得胶胶体体状状态态Pt溶溶胶胶，Pt粒粒子子绝绝大大部部分分在在1.5nm-2.5nm之之间间。将将其其按按一一定定比比例例担担载载在在碳碳担担体体上上如如XC-72R，即即制制得得高高分分散散的的Pt/C电催化剂。电催化剂。Prototech公司1977年申请专利U.S.P.4JohnsonMatthey公公司司在在专专利利U.S.P.5 06

41、8161中中提提出出了了碳碳载载Pt合合金金（合合金金元元素素以以Cr,Mn,Co,Ni为为主主）的电催化剂制备方法。的电催化剂制备方法。电电催催化化剂剂Pt含含量量20%-60%（质质量量），Pt与与合合金金元元素素的的比比一一般在般在65:35与与35:65之间，电化学比表面积大于之间，电化学比表面积大于35m2/g。Johnson Matthey公司在专利U.S.P.5 06电电催催化化剂剂的的方方法法是是，先先将将金金属属化化合合物物如如铂铂氯氯酸酸、金金属属硝硝酸酸盐盐或或氯氯化化物物等等溶溶于于水水中中，一一再再加加入入载载体体碳碳的的水水基基溶溶浆浆，有有时时还还加加入入碳碳酸酸

42、氢氢钠钠，可可用用肼肼、甲甲醛醛、甲甲酸酸作作还还原原剂剂将将金金属属沉沉积积在在碳碳载载体体上上。将将沉沉淀淀物物过过滤滤、洗洗涤涤、干干燥燥，然然后后在在惰惰性性或或还还原原气气氛氛下下于于600一一1000进行热处理，即制得高活性的进行热处理，即制得高活性的Pt合金电催化剂。合金电催化剂。Pt-Ni/C电电催催化化剂剂制制备备的的一一种种具具体体方方法法是是：将将37.0gShawinigen乙乙炔炔黑黑加加入入2000mL去去离离子子水水中中，搅搅动动15min，制制备备均均匀匀溶溶浆浆，将将34.45g碳碳酸酸氢氢钠钠加加入入溶溶浆浆中中，搅搅动动5min，加加热热溶溶浆浆至至100

43、并并保保持持沸沸腾腾30min;再再将将10g铂铂氯氯酸酸溶溶液液加加至至100mL去去离离子子水水中中，5min内内加加至至碳碳溶溶浆浆中中，溶溶浆浆煮煮沸沸5min;将将溶溶于于75mL去去离离子子水水中中的的3.01gNi(N03)2-6H20在在10min内内加加至至上上述述溶溶浆浆中中，煮煮沸沸2h;在在10min内内将将75mL去去离离子子水水稀稀释释的的7.8mL甲甲酸酸加加入入上上述述溶溶浆浆中中，煮煮沸沸1h，过过滤滤、洗洗涤涤至至无无氯氯离离子子，滤滤饼饼于于80真真空空干干燥燥，再再在在930氮氮气气氛氛下下处处理理1h，即即制制得得质质量量分分数数为为20%Pt、6%N

44、i和和Pt:Ni原子比为原子比为50.50的的Pt-Ni/C合金电催化剂。合金电催化剂。电催化剂的方法是，先将金属化合物如铂氯酸、金属硝酸盐或氯化物燃料电池1解析ppt课件在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿

45、命。4.质子交换膜质子交换膜在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质用于用于PEMFC质子交换膜必满足的条件：质子交换膜必满足的条件：1)具有高的具有高的H+传导能力传导能力2)在在PEMFC运行的条件下，膜结构与树脂组成保持不变运行的条件下，膜结构与树脂组成保持不变3)不论膜在干态或湿具有低的反应气体的渗透系数，不论膜在干态或湿具有低的反应气体的渗透系数，保证电保证电池具有高的法拉第效率。池具有高的法拉第效率。一般膜的渗透系数一般膜的渗透系数10-8cm2/s-14)不论膜在干态或湿态均应具有一定的机械强度不论膜在干态或湿态均应具有一定的机械强度5)在膜在膜.树脂分解前的

46、某温度应具有一定的粘度。树脂分解前的某温度应具有一定的粘度。用于PEMFC质子交换膜必满足的条件：全氟磺酸型质子交换膜全氟磺酸型质子交换膜1962年美国Dupont公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966年首次用于氢氧燃料电池，为研制长寿命、高比功率的PEMFC打下坚实的物质基础。制备全氟磺酸型质子交换膜，制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯作原料合成全氟磺酞氟烯醚单体。首先用聚四氟乙烯作原料合成全氟磺酞氟烯醚单体。该该单单体体再再与与聚聚四四氟氟乙乙烯烯聚聚合合制制备备全全氟氟磺磺酞酞氟氟树树脂脂，最最后后用用该该树脂制膜。树脂制膜。全氟磺酸型质子交换膜这种高分子材料化学式如下：这种

47、高分子材料化学式如下：Dupont公公司司生生产产的的Nafion系系列列膜膜，m=1；Dow公公司司试试制制高高电电导导的全氟磺酸膜，的全氟磺酸膜，m=0。燃料电池1解析ppt课件燃料电池1解析ppt课件燃料电池1解析ppt课件燃料电池1解析ppt课件燃料电池1解析ppt课件迄今最常用的质子交换膜（PEMFC）仍然是美国杜邦公司美国杜邦公司的Nafion质子交换膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，目前PEMFC大多采用Nafion质子交换等全氟磺酸膜Nafion质子交换类膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变

48、性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高 Nafion系列膜的最佳工作温度为7090，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。迄今最常用的质子交换膜（PEMFC）仍然是美国杜邦公司的NaNafion膜的价格在膜的价格在600美元每平方米左右，相当于美元每平方米左右，相当于120美元每千美元每千瓦瓦（单位电池电压为（单位电池电压为0.65V）。在）。在燃料电池系统燃料电池系统中，膜的成本几中，膜的成本几

49、乎占总成本的乎占总成本的20%30%。为尽早实现燃料电池的商业化应用，降低质子交换膜的价格迫在为尽早实现燃料电池的商业化应用，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。眉睫。加拿大加拿大的巴拉德公司在质子交换膜领域做了后来居上的工作，使的巴拉德公司在质子交换膜领域做了后来居上的工作，使人们看到了交换膜商业化的希望。据研究计划报道，其第三代质人们看到了交换膜商业化的希望。据研究计划报道，其第三代质子交换膜子交换膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型质子交换膜，演示寿命，是部分氟化的磺酸型质子交换膜，演示寿命已经超过已经超过4500h，其价格已经降到，其价格已经降到50美元每立方米，这相当于美元每立方米，这相当于1

50、0美元每千瓦美元每千瓦（单位电池电压为（单位电池电压为0.65V）。）。Nafion膜的价格在600美元每平方米左右，相当于120美5.双极板材料双极板材料PEMFC电池广泛采用的双极板材料为电池广泛采用的双极板材料为无孔石墨板无孔石墨板，正在开发正在开发表面改性的金属板和复合型双极板。表面改性的金属板和复合型双极板。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约常用石墨双极板厚度约

51、23.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。5.双极板材料 PEMFC电池广泛采用的双极板材料为无孔石墨金属双极板金属双极板PEMFC双双极极板板一一侧侧为为湿湿的的氧氧化化剂剂，如如氧氧；另另一一侧侧为为湿湿的的还还原原剂剂，如如氢氢。由由于于质质子子交交换换膜膜极极微微量量降降解解，生生成成水水的的pH值值为为微微弱弱酸酸性性。在在这这种种环环境境下下，用用金金属属（如如不不锈锈钢钢）作作双双极极板板材材料料，会会导导致致氧氧电电极极侧侧氧氧化化

52、膜膜增增厚厚，增增加加接接触触电电阻阻，降低电池性能；在氢电极侧有时会发生轻微腐蚀，降低电极电催化剂活性。降低电池性能；在氢电极侧有时会发生轻微腐蚀，降低电极电催化剂活性。采采用用金金属属作作PEMFC双双极极板板材材料料的的关关键键技技术术之之一一是是表表面面改改性性。通通过过这这种种改改性性，不不但但防防止止轻轻微微腐腐蚀蚀，而而且且接接触触电电阻阻保保持持恒恒定定，不不随随时时间间增增大大。各各研研究究单单位位均均对对这这种种表表面面改改性性技技术术高高度度保保密密，甚甚至至在在专专利利中中也也不不介介绍绍（镀镀Au、Ag等电镀法除外）。等电镀法除外）。金属双极板6.膜电极三合一组件的制

53、备问题的提出：问题的提出：对对于于采采用用液液体体电电解解质质的的燃燃料料电电池池，如如石石棉棉膜膜型型碱碱性性电电池池、磷磷酸酸型型电电池池，在在电电池池组组装装力力作作用用下下，多多孔孔电电极极与与饱饱浸浸电电解解液液的的隔隔膜膜不不但但能能形形成成良良好好的的电电接接触触，而而且且电电解解液液靠靠毛毛细细力力能能浸浸人人多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极，在在憎憎水水粘粘合合剂剂（如如PTFE）作作用下，电极内能形成稳定的三相界面。用下，电极内能形成稳定的三相界面。对对PEMFC电电池池，由由于于膜膜为为高高分分子子聚聚合合物物，仅仅靠靠电电池池组组装装力力，不不但但电电极极与与质质子子交

54、交换换膜膜间间接接触触不不好好，而而且且质质子子导导体体不能进入多孔气体电极内部。不能进入多孔气体电极内部。6.膜电极三合一组件的制备 问题的提出：问题的解决方法：问题的解决方法：为为实实现现电电极极的的立立体体化化，必必须须向向多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极内内部部加加入入质质子导体，如全氟磺酸树脂。子导体，如全氟磺酸树脂。为为改改善善电电极极与与膜膜的的接接触触，一一般般采采用用热热压压方方法法。即即在在全全氟氟磺磺酸酸树树脂脂玻玻璃璃化化温温度度下下对对膜膜、电电极极三三合合一一施施以以一一定定的的压压力力，将将已已加加入入全全氟氟磺磺酸酸树树脂脂的的氢氢电电极极（阳阳极极）、隔隔膜膜

55、（全全氟氟磺磺酸酸型型质质子子交交换换膜膜）和和已已加加入入全全氟氟磺磺酸酸树树脂脂的的氧氧电电极极（阴阴极极）压压合合在在一一起起，形形成成膜膜电电极二合一组件，或称极二合一组件，或称MEA组件组件。MEA是将两张喷涂有是将两张喷涂有Nafion溶液及溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。在一定温度和压力下模压制成。问题的解决方法：MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催MEA具体制备工艺具体制备工艺(1)进行膜的预处理。进行膜的预处

56、理。预预处处理理目目的的是是清清除除质质子子交交换换膜膜上上的的有有机机与与无无机机杂杂质质。首首先先将将质质子子交交换换膜膜在在3%-5%过过氧氧化化氢氢水水溶溶液液中中，于于80进进行行处处理理，除除掉掉有有机机杂杂质质，取取出出后后用用去去离离子子水水洗洗净净，再再在在稀稀硫硫酸酸溶溶液液中中80处处理理，除除去去无无机机金金属属离离子子，取取出出用用去去离离子子水水洗洗净净后后，置于去离子水中备用。置于去离子水中备用。(2)将将制制备备好好的的多多孔孔气气体体扩扩散散型型氢氢氧氧电电极极浸浸入入或或喷喷上上全全氟氟磺磺酸酸树树 脂脂 溶溶 液液，一一 般般 控控 制制 全全 氟氟 磺磺

57、 酸酸 树树 脂脂 的的 担担 载载 量量 为为0.6mg/cm21.2mg/cm2，在，在6080下烘干。下烘干。(3)在在质质子子交交换换膜膜两两面面放放好好氢氢、氧氧多多孔孔气气体体扩扩散散电电极极，置置于于两两块不锈钢平板中间，放人热压机中。块不锈钢平板中间，放人热压机中。MEA具体制备工艺(4)在在130135，压压力力6MPa9MPa下下热热压压60s-90s，出出境境取出，冷却降温。取出，冷却降温。改改进进电电极极与与膜膜的的结结合合，也也可可事事先先将将质质子子交交换换膜膜与与全全氟氟磺磺酸酸树树脂脂 转转 换换 为为 钠钠 离离 子子 型型，此此 时时 可可 将将 热热 压压

58、 温温 度度 提提 高高 到到150160。若若将将全全氟氟磺磺酸酸树树脂脂事事先先转转换换为为热热塑塑性性的的季季胺胺盐盐型型（如如采采用用四四丁丁基基氢氢氧氧化化胺胺与与树树脂脂交交换换），则则热热压压温温度度可可提提高高到到195，热热压压后后的的MEA置置于于稀稀硫硫酸酸中中，将将树树脂脂与质子交换膜再转换为氢型。与质子交换膜再转换为氢型。(4)在130135，压力6 MPa 9 MPa下热燃料电池1解析ppt课件质子交换朠燃料电池的数据采集与控制系统质子交换朠燃料电池的数据采集与控制系统电池组技术电池组技术PEMFC的电池组密封技术原则上分为两类。的电池组密封技术原则上分为两类。一一

59、类类如如加加拿拿大大Bal-lard公公司司专专利利所所述述。这这类类密密封封称称为为单单密密封封。它它的的MEA组组件件与与双双极极板板一一样样大大，在在MEA上上开开有有反反应应气气与与冷冷却却液液流流动动的的孔孔道道，并并在在MEA的的扩扩散散层层上上，反反应应气气与与冷冷却却液液孔孔道道四四周周和和周周边边冲冲出出（或或激激光光切切割割）沟沟槽槽，以以放放置置橡橡皮皮等等密密封封件件。将将橡橡皮皮等等密密封封件件放放人人已已热热压压好好的的MEA组组件件的的上上述述构构槽槽内内，即即制制得得带带密密封封组组件件的的MEA组组件。件。电池组技术PEMFC的电池组密封技术原则上分为两类。密

60、密封封的的原原则则是是周周边边的的橡橡皮皮密密封封组组件件应应能能防防止止反反应应气气与与冷冷却却液液外外漏漏，反反应应气气与与冷冷却却液液开开孔孔周周边边的的橡橡皮皮密密封封件件能能防防止止反反应气与冷却液通过公用孔道互串。应气与冷却液通过公用孔道互串。这这种种单单密密封封结结构构的的优优点点是是质质子子交交换换膜膜在在电电池池中中起起到到较较好好的的分分隔隔氢氢氧氧气气的的作作用用，密密封封相相对对易易于于实实现现；缺缺点点是是膜膜的的有有效效利利用用率率低低，千千瓦瓦级级电电池池仅仅能能达达到到60左左右右。电电池池工工作作面面积积越大，密封边的比例越小，就越能提高膜的利用率。越大，密封

61、边的比例越小，就越能提高膜的利用率。密封的原则是周边的橡皮密封组件应能防止反应气与冷却液外漏，反燃料电池1解析ppt课件第二类密封是我国申报的专利，称为第二类密封是我国申报的专利，称为双密封双密封。采采用用这这种种密密封封方方法法时时，MEA组组件件比比双双极极板板小小，比比双双极极板板流流场场部部分分稍稍大大，将将MEA组组件件四四周周用用平平板板橡橡皮皮密密封封。对对这这种种密密封封结结构构，不不仅仅要要设设计计好好外外漏漏与与共共用用管管道道的的密密封封，而而且且要要设设计好计好MEA周边的密封，否则反应气可通过这一通道互串。周边的密封，否则反应气可通过这一通道互串。双密封结构的双密封结

62、构的突出优点突出优点是昂贵的质子交换膜的利用率高，可达是昂贵的质子交换膜的利用率高，可达90%-95%；主主要要缺缺点点是是MEA的的周周边边密密封封如如控控制制不不好好，就就易易于于出出现现反反应应气互串。气互串。第二类密封是我国申报的专利，称为双密封。燃料电池1解析ppt课件7.电池组排热技术电池组排热技术对对PEMFC的的电电池池组组，一一般般选选定定的的平平均均单单池池工工作作电电压压为为0.60V0.75V。此此 条条 件件 下下 电电 池池 组组 的的 能能 量量 转转 化化 效效 率率 为为50%60%。若若要要保保持持电电池池工工作作温温度度稳稳定定，必必须须排排出出50%40

63、%的废热。的废热。为为确确保保电电池池各各部部分分工工作作温温度度均均匀匀，尤尤其其在在大大电电流流密密度度下下防防止止电电池池局局部部过过热热，采采用用最最多多的的排排热热技技术术是是在在电电池池组组内内设设置带排热腔的双极板，即置带排热腔的双极板，即排热板。排热板。用用循循环环水水或或水水与与乙乙二二醇醇混混合合物物的的流流动动来来实实现现电电池池组排热。组排热。7.电池组排热技术对PEMFC的电池组，一般选定的平均单池工水、热管理水、热管理水、热管理是质子交换膜燃料电池 发电系统的重要环节之一。电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成

64、、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了质子交换膜燃料电池 发电系统的水、热管理问题。通常情况下，电堆均需使用复杂的纯水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出，以防电极“淹死”。由于质子交换膜燃料电池的运行温度一般在80左右，此时其运行效能最好，因此反应气体进入电堆前需要预加热，这一过程通常与气体的加湿过程同时进行；电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施，以保持质子交换膜燃料电池电堆工作温度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节，并用计算机进行协调控制。水、热管理质子交换膜燃料电

65、池的发展现状质子交换膜燃料电池的发展现状 2020世纪世纪6060年代，美国首先将年代，美国首先将PEMFCPEMFC用于用于GeminiGemini宇航飞行。宇航飞行。伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和发展，发展，8080年代，年代，PEMFCPEMFC的研究取得了突破性进展，电池的性能和的研究取得了突破性进展，电池的性能和寿命大幅提高，电池组的体积比功率和质量比功率分别达到寿命大幅提高，电池组的体积比功率和质量比功率分别达到1000W/L1000W/L、700W/kg700W/kg，超过了，超过了DOEDOE和和

66、PNGVPNGV制定的电动车指标。制定的电动车指标。9090年代以来，基于质子交换膜燃料电池高速进步，各种以其为动年代以来，基于质子交换膜燃料电池高速进步，各种以其为动力的电动汽车相继问世，至今全球已有数百台以力的电动汽车相继问世，至今全球已有数百台以PEMFCPEMFC为动力的为动力的汽车、潜艇、电站在国内外示范运行。汽车、潜艇、电站在国内外示范运行。质子交换膜燃料电池的发展现状 20世纪60年代，美国首先将P我国研究现状我国研究现状我们有中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、上海空间电源研究所、上海神力等很多单位在开展PEMFC的研究，并取得了长足进展，接近国外先进水平。就技术而言，千瓦级的PEMFC技术已基本成熟，阻碍其大规模商业化的主要原因是燃料电池的价格还远远没有达到实际应用的要求，影响燃料电池成本的两大因素是材料价格昂贵和组装工艺没有突破，例如使用贵金属铂作为催化剂；昂贵的质子交换膜及石墨双击板加工成本等，导致目前PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本（50$/kW）的1020倍。PEMFC要作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，这有赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的