燃料电池质子交换膜燃料电池详解ppt幻灯片
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燃料电池专业知识 ppt课件
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10
气体扩散层GDL (gas diffusion layer)
作用：传质，导电，传热，支持催化层，导水 要求：高孔隙率，接触电阻小，内阻小，导热好，稳定性高不降解，强度高 材料：石墨化碳纸或碳布
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11
流场板FP （Flow Plate）
对于水冷流场，又称为双极板Bipolar-plate 作用：气体分配，集流，导热，密封 要求：重量小，高电导，高热导，耐腐蚀，耐压，低成本 材料：石墨，合金
燃料电池专业知识
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1
第一章 燃料电池原理和构成
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2
什么是燃料电池
定义： 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接
转化为电能的发电装置。
燃料
氧化剂
电能
其他？
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3
Hydrogen
Fuel Cell
Oxygen Heat
Electric power
增程器 动力电池
电能
电机
机械能
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22
150~200公里
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23
整车 控制系 统
动力电池
燃料 电池
DC/DC
电机 控制 器
储氢 供氢系 统
车辆 附件总 成 燃料 电池附 件
驱动 电机
驱动桥
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24
DCDC
DC：直流电，direct current AC：交流电，Alternating current DCDC：直流到直流变换器，主要是将某个直流电压转化至另一个直流电压。 解决两个设备电压不匹配的问题。
作为锂离子电池负极材料-钛酸锂（区别于石墨），可与锰酸锂、三元材料或 磷酸铁锂等正极材料组成电池。
燃料电池质子交换膜简介演示
化学稳定性
质子交换膜应具有良好的化学稳定性，以应对燃料电池运行过程中可能发生的化学 反应和腐蚀。
膜的材料和结构是影响其化学稳定性的关键因素。
高质量的质子交换膜应具有出色的化学稳定性，以确保在燃料电池运行过程中的稳 定性和耐久性。
06
质子交换膜在燃料电池领Hale Waihona Puke 的 应用前景及挑战应用前景
01 02
环保能源
最后，电子从阳极通过外部电路流向阴 极，完成电流的产生。
在电化学反应步骤中，氢气和氧气通过 催化剂的作用被分解成电子、质子和氧 离子。
氢气供应是指氢气从外部通过管道或压 力容器供应给燃料电池的阳极。
氧化剂供应是指氧气从外部通过管道或 压力容器供应给燃料电池的阴极。
燃料电池的类型
根据使用不同的电解质，燃料电池可以 分为质子交换膜燃料电池（PEMFC） 、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电 池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（
定制化质子交换膜
定制化质子交换膜是根据特定应用 需求，定制加工的具有特殊性能和 用途的质子交换膜。
03
质子交换膜在燃料电池中的作 用
质子交换膜作为隔膜的作用
阻隔反应气体
质子交换膜作为燃料电池的隔膜 ，能够将阳极和阴极隔开，防止 反应气体混合，确保电池的安全 运行。
传递质子
质子交换膜具有传导质子的能力 ，能够让阳极产生的质子传递到 阴极，实现电化学反应的连续进 行。
的商业化进程不断加快，市场规模不断扩大。
挑战与问题
技术成熟度
尽管质子交换膜燃料电池具有许多优点，但其技术成熟度 还有待进一步提高，尤其是在膜电极组件、双极板等关键 部件的设计和制造方面。
运行稳定性
质子交换膜燃料电池的运行稳定性还需要进一步提高，尤 其是在高温、高湿度等恶劣环境下，需要保证其长期稳定 运行。
PEMFC——燃料电池课件
4）PEMFC效率一般在50％左右，极化主要在氧阴 极，因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良 导体。
5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持
扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足 反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流， 则是扩散层制备过程中最难的技术问题。
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:
阳极反应： H2 2H 2e
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。
交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优 点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的 传质能力，同时将扩散层内水及时排出。
但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配 与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研 究，并与相应工艺开发相配合。
上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极 扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通 道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为 流场的开孔率。
对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组 装力,不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化， 需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺 酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全 氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全 氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一”组 件（MEA）
5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持
扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足 反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流， 则是扩散层制备过程中最难的技术问题。
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:
阳极反应： H2 2H 2e
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。
交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优 点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的 传质能力，同时将扩散层内水及时排出。
但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配 与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研 究，并与相应工艺开发相配合。
上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极 扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通 道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为 流场的开孔率。
对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组 装力,不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化， 需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺 酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全 氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全 氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一”组 件（MEA）
PEMFC——燃料电池课件.
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: 阳极反应： H 2 2H 2e 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。
2.电池组： 电池组的主体为MEA，双极板及相应 可兼作电流导出 板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作 电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻 的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应 气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆 孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加 一定的组装力。 若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等)制作， 还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘 板。
质子交换膜燃料电池
1 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。
流场结够对 PEMFC 电池组至关重要，而且与反应 气纯度、电池系统的流程密切相关。 因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，如 反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有， 回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达 到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。
电池组密封： 要求是按照设计的密封结构，在电池组组装力的 作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、氧 化剂和冷却液不互窜。
质子交换膜燃料电池PPT课件
05
PEMFC性能评价与测试方 法
PEMFC性能评价指标
输出功率密度
单位面积或单位体积电池的输出 功率，反映电池的能量转换效率
。
开路电压
电池在开路状态下的电压，与电 池内部的电化学反应有关。
电流密度
单位面积电池的输出电流，影响 电池的输出功率和效率。
温度特性
电池在不同温度下的性能表现， 包括启动、运行和关机过程中的 温度变化对电池性能的影响。
笔记本电脑、手机等
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
提高耐久性
改进电池结构和材料，提高电池寿命 和稳定性
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
01
燃料电池概述
01
燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池定义
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆过程，通过向燃 料电池堆输入氢气和氧气（或空气），在催化剂的作用下，经过电化学反应生成水并对外输出电能。
燃料电池工作原理
燃料电池的核心部件是质子交换膜，它只允许质子通过而阻止电子和气体通过。在阳极，氢气在催化剂的作用下 分解成质子和电子，质子通过质子交换膜传递到阴极，而电子则通过外电路传递到阴极，形成电流。在阴极，氧 气与质子和电子结合生成水。
车用质子交换膜燃料电池快速入门.ppt
铂微粒固定在相对较大的炭粉 粒子上,催化剂一般为铂，目 前，用量为0.2mg/cm2,
8
4 .双极板 实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板， 同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴 极和阳极接触，同时双极板还起到把氢送到阳极，和 把氧或空气送到阴极的作用
9
5. 质子交换膜燃料电池的水管理问题 质子交换膜中的电解质必须含有足够的水，才能 保证有良好的离子传导性，但水也不能太多，否 则它会涌入并堵塞电极或气体扩散层中的孔通道 燃料电池里的水来自：一是氢氧反应产生的水，另一 是对反应气体加湿将水带进来，下图为几种加湿方法
15
环境压力燃料电池的基本结构
* 阳极直接加水， 电解膜充分含水
* 对阴极供应大流 量干空气流
* 用空气流直接蒸 发阴极侧的水来 冷却燃料电池
* 系统效率高
16
环境压力燃料电池电压－－电流曲线
17
两种燃料电池系统的比较
18
8. 燃料电池发动机 燃料电池发动机，是指包括：燃料电池系统、 行走电机、电机控制器和传统内燃发动机所带 的附件等合在一起的系统或装置
10
6. 加压燃料电池系统 传统燃料电池系统通过提高压力的方法来增加它的功率密度， 此时系统中要有一个压缩机 空气中氮含量约占80%，在对空气进行压缩时，大部分压缩功率， 被用来压缩不起作用的氮上，氧利用率（OUR）取得越大，压缩 机消耗功率越大，燃料电池输出的净功率减小，效率降低
11
用于氢再循环的射流泵结构
12
加压燃料电池系统里，一个十分关键的部件是“压缩 －膨胀机”。可以选用的压缩机类型很多，有双螺杆 式、罗茨转子式、叶片式等。膨胀器用来回收排出空 气中的能量。图为压缩膨胀器一例。
13
8
4 .双极板 实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板， 同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴 极和阳极接触，同时双极板还起到把氢送到阳极，和 把氧或空气送到阴极的作用
9
5. 质子交换膜燃料电池的水管理问题 质子交换膜中的电解质必须含有足够的水，才能 保证有良好的离子传导性，但水也不能太多，否 则它会涌入并堵塞电极或气体扩散层中的孔通道 燃料电池里的水来自：一是氢氧反应产生的水，另一 是对反应气体加湿将水带进来，下图为几种加湿方法
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环境压力燃料电池的基本结构
* 阳极直接加水， 电解膜充分含水
* 对阴极供应大流 量干空气流
* 用空气流直接蒸 发阴极侧的水来 冷却燃料电池
* 系统效率高
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环境压力燃料电池电压－－电流曲线
17
两种燃料电池系统的比较
18
8. 燃料电池发动机 燃料电池发动机，是指包括：燃料电池系统、 行走电机、电机控制器和传统内燃发动机所带 的附件等合在一起的系统或装置
10
6. 加压燃料电池系统 传统燃料电池系统通过提高压力的方法来增加它的功率密度， 此时系统中要有一个压缩机 空气中氮含量约占80%，在对空气进行压缩时，大部分压缩功率， 被用来压缩不起作用的氮上，氧利用率（OUR）取得越大，压缩 机消耗功率越大，燃料电池输出的净功率减小，效率降低
11
用于氢再循环的射流泵结构
12
加压燃料电池系统里，一个十分关键的部件是“压缩 －膨胀机”。可以选用的压缩机类型很多，有双螺杆 式、罗茨转子式、叶片式等。膨胀器用来回收排出空 气中的能量。图为压缩膨胀器一例。
13
质子交换膜燃料电池PPT课件
阴极催化剂中毒等。
改性全氟磺酸膜
增强型复合质子交换膜
聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司） 玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国Johnson Matthery公司、武汉 理工）
高温型复合质子交换膜
杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷
锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）
金属板
优点：比石墨具有更好的导电及导热性， 具有极高的气体不透过性，良好的机加 工特性。
缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。
改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、 氧化铅、碳化硅等）。
复合双极板
综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具 有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：
（1）金属基复合双极板； （2）碳基复合材料双极板。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
38
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催 化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对 氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使 氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极 化现象，使电池的性能严重下降。
由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重 整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多 都含有CO。
改性全氟磺酸膜
增强型复合质子交换膜
聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司） 玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国Johnson Matthery公司、武汉 理工）
高温型复合质子交换膜
杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷
锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）
金属板
优点：比石墨具有更好的导电及导热性， 具有极高的气体不透过性，良好的机加 工特性。
缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。
改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、 氧化铅、碳化硅等）。
复合双极板
综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具 有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：
（1）金属基复合双极板； （2）碳基复合材料双极板。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
38
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催 化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对 氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使 氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极 化现象，使电池的性能严重下降。
由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重 整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多 都含有CO。
质子交换膜PPT课件
2
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
0.91 0.91
1.0 1.0
1.0 1.0
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
6
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。 下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
8
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
9
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
3
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 打下了坚实的物质基础。
现在在世界上拥有的PEM大致有： 全氟磺酸型质子交 换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质 子交换膜等等
但迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦 公司的Nafion®膜（全氟磺酸型质子交换膜）。
全氟磺酸质子交换膜是一种固体聚合物电解质， 具有化学稳定性和热稳定性好、电压降低、电 导率高、机械强度高等优点，可在强酸、强碱、 强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用。
0.91 0.91
1.0 1.0
1.0 1.0
含水率/%
—— 33 —— —— 38 87
6
电导率与水含量
全氟磺酸膜具有力学强度高，化学稳定性好，质子电导 率大(水含量大时)等优点的同时，也有其局限性。这类膜 的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度 较高，特别是温度高于100 ℃时，电导率明显下降。 下图为Nafion117的电导率与水含量的关系
水含量与温度
下图为膜的水含量与温度的关系：
8
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
9
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
接下来将详细讲述全氟磺酸质子交换膜
3
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 打下了坚实的物质基础。
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阴极以Pt/C为催化剂、空气或纯氧为氧化 剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面 改性金属板为双极板
重整气，CO、～10-4 V/V 60-100oC、 ～ 10-6 V/V CO、Pt中毒失效
electrolyte
燃料 anode
电解液
氢氧燃料电池 H2
H+
直接甲醇燃料电池 CH3OH
膜
直接乙醇燃料电池 CH3CH2OH
制备方法为：
将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液 (PTFE)进行憎水处理
用称重法确定浸入的PFTE量 将浸好PTFE的碳纸置于温度330-340度的烘箱
内进行热处理
使得均匀分散在碳纸的纤维上 达到优良的憎水效果
2. 电极的分类及其制作
厚层憎水催化层电极 薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极 双层催化层电极
直接甲酸燃料电池 未反应 燃料
60-90oC
HCOOH
CO2
cathode 氧化剂
空气/O2
O2
O2
O2
O2
未反应 氧化剂
质子交换膜
( CF2 CF2 )n CF2 CF O (CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备
全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜
共健康成就之一
大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
电催化剂
电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应 得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。
特点：
电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双 电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的 分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能 大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常 化学反应低得多的温度下进行。
电极要求
高活性催化剂 质子通道 电子通道 反应气通道 生成水通道 热的良导体 一定机械强度 工作条件下稳定
降低 担持量
合理 分配
2.1 厚层憎水催化层电极
厚层憎水催化层电极工艺流程
四种传递通道
Pt/C 电催化剂
气体传递
PTFE
-SO2R → - SO3H
Dupont公司生产的Nafion系列膜，m=1， Dow公司试制高电导的全氟磺酸膜，m=0
优点：
具有高化学稳定性和高质子传导率
缺点：
需要很高的水含量才能有足够的导质子能力, 但 是由于其吸水能力有限, 需要连续对膜进行增湿, 增加了燃料电池系统设计的复杂性;
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------- direct methanol fuel cell 直接乙醇燃料电池 --------direct ethanol fuel cell 直接甲酸燃料电池---------direct formic acid fuel cell
由于脱水, 很难在高于100度以上操作, 这限制了 电池性能进一步提高和余热的充分利用
用于直接甲醇燃料电池时, 甲醇渗透率过高 价格昂贵, 且含有氟元素, 降解时产生对环境有
害的物质
聚四氟乙烯：化学惰性、无毒。 260 oC以上、变性 350 oC 以上、分解
F-、H2SiF6、Na2SiF6、HF NaF、少量、预防龋齿，20世纪10大公
例如在铂黑电催化剂上可使丙烷于150-200oC完全氧化 为CO2和水。
PEMFC电催化剂的研发方向
降低铂的载量 提高铂的利用率 开发非铂高催化活性的催化剂 提高催化剂的抗CO中毒性能
H2的脱附、氧化
H2O的氧化分解
H+的还原、H2析出
O2的还原峰
电化学反应必须在适宜的电解质溶液中进 行，在电极与电解质的界面上会吸附大量 的溶剂分子和电解质，使电极过程与溶剂 及电解质本性的关系极为密切。这一点导 致电极过程比多相催化反应更加复杂。
AFC： Ag、Ni，催化剂价低
PEMFC的优点 高纯H2，低温运行， CO2、KOH，K2CO3
工作温度低 启动快
PAFC： 150-220oC高温、余热利用率高 100%磷酸、Pt催化剂
能量密度高
PEMFC：唯一液体、水，无腐蚀性
寿命长 重量轻 无腐蚀性
MCFC： 多孔Ni催化剂、600-700oC、透 明液体电解质
开发性能优良、 价格低廉的膜材 料成为燃料电池 的主要研究方向
质子交换膜燃料电池的构造
如右图示一个单电池 质子交换膜 电催化剂 碳纤维纸扩散层
外电路
PEMFC工作原理
总反应：H2 + 1/2O2 H2O
外电路
2e
2e
电解质
膜 氢气
氧气
阳极
阴极
质子交换膜型PEMFC，反应式如下：
阳极反应： H2
PEMFC中催化剂电极的制备工艺：
多孔气体扩散电极 由扩散层和催化层组成
----扩散层的作用是支撑催化层，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
----催化层则是发生电化学反应的场 所是电极的核心部分
电极扩散层一般
由碳纸或碳布制作 厚度为0.2-0.3mm
碳酸锂、碳酸钾碱性碳酸盐、 腐蚀性
不受二氧化碳的影响
SOFC： 1000oC、不需催化剂
工作噪声低, 可靠性高 氧化锆、氧化钇、氧化钙电解质
内部构造简单, 电池模块呈堆垒式层叠 结构使得电池组组装和维护很方便
PEMFC存在的问题： 稳定性（寿命） 可用性（CO中毒） 成本问题（膜和催化剂）
2H++ 2e-
阳极反应： 1/2O2+2H++2e总反应： 1/2O2+2H2
H2O H2O
由于质子交换膜只能传导质子， 因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极， 而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。
以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电 解质
阳极以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂涂覆在碳 纤维纸上，以氢或净化重整气为燃料
重整气，CO、～10-4 V/V 60-100oC、 ～ 10-6 V/V CO、Pt中毒失效
electrolyte
燃料 anode
电解液
氢氧燃料电池 H2
H+
直接甲醇燃料电池 CH3OH
膜
直接乙醇燃料电池 CH3CH2OH
制备方法为：
将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液 (PTFE)进行憎水处理
用称重法确定浸入的PFTE量 将浸好PTFE的碳纸置于温度330-340度的烘箱
内进行热处理
使得均匀分散在碳纸的纤维上 达到优良的憎水效果
2. 电极的分类及其制作
厚层憎水催化层电极 薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极 双层催化层电极
直接甲酸燃料电池 未反应 燃料
60-90oC
HCOOH
CO2
cathode 氧化剂
空气/O2
O2
O2
O2
O2
未反应 氧化剂
质子交换膜
( CF2 CF2 )n CF2 CF O (CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备
全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜
共健康成就之一
大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
电催化剂
电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应 得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。
特点：
电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，还与双 电层内电场及电解质溶液的本性有关。
由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的 分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能 大大降低，所以，大部分电催化反应均可在远比通常 化学反应低得多的温度下进行。
电极要求
高活性催化剂 质子通道 电子通道 反应气通道 生成水通道 热的良导体 一定机械强度 工作条件下稳定
降低 担持量
合理 分配
2.1 厚层憎水催化层电极
厚层憎水催化层电极工艺流程
四种传递通道
Pt/C 电催化剂
气体传递
PTFE
-SO2R → - SO3H
Dupont公司生产的Nafion系列膜，m=1， Dow公司试制高电导的全氟磺酸膜，m=0
优点：
具有高化学稳定性和高质子传导率
缺点：
需要很高的水含量才能有足够的导质子能力, 但 是由于其吸水能力有限, 需要连续对膜进行增湿, 增加了燃料电池系统设计的复杂性;
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------- direct methanol fuel cell 直接乙醇燃料电池 --------direct ethanol fuel cell 直接甲酸燃料电池---------direct formic acid fuel cell
由于脱水, 很难在高于100度以上操作, 这限制了 电池性能进一步提高和余热的充分利用
用于直接甲醇燃料电池时, 甲醇渗透率过高 价格昂贵, 且含有氟元素, 降解时产生对环境有
害的物质
聚四氟乙烯：化学惰性、无毒。 260 oC以上、变性 350 oC 以上、分解
F-、H2SiF6、Na2SiF6、HF NaF、少量、预防龋齿，20世纪10大公
例如在铂黑电催化剂上可使丙烷于150-200oC完全氧化 为CO2和水。
PEMFC电催化剂的研发方向
降低铂的载量 提高铂的利用率 开发非铂高催化活性的催化剂 提高催化剂的抗CO中毒性能
H2的脱附、氧化
H2O的氧化分解
H+的还原、H2析出
O2的还原峰
电化学反应必须在适宜的电解质溶液中进 行，在电极与电解质的界面上会吸附大量 的溶剂分子和电解质，使电极过程与溶剂 及电解质本性的关系极为密切。这一点导 致电极过程比多相催化反应更加复杂。
AFC： Ag、Ni，催化剂价低
PEMFC的优点 高纯H2，低温运行， CO2、KOH，K2CO3
工作温度低 启动快
PAFC： 150-220oC高温、余热利用率高 100%磷酸、Pt催化剂
能量密度高
PEMFC：唯一液体、水，无腐蚀性
寿命长 重量轻 无腐蚀性
MCFC： 多孔Ni催化剂、600-700oC、透 明液体电解质
开发性能优良、 价格低廉的膜材 料成为燃料电池 的主要研究方向
质子交换膜燃料电池的构造
如右图示一个单电池 质子交换膜 电催化剂 碳纤维纸扩散层
外电路
PEMFC工作原理
总反应：H2 + 1/2O2 H2O
外电路
2e
2e
电解质
膜 氢气
氧气
阳极
阴极
质子交换膜型PEMFC，反应式如下：
阳极反应： H2
PEMFC中催化剂电极的制备工艺：
多孔气体扩散电极 由扩散层和催化层组成
----扩散层的作用是支撑催化层，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
----催化层则是发生电化学反应的场 所是电极的核心部分
电极扩散层一般
由碳纸或碳布制作 厚度为0.2-0.3mm
碳酸锂、碳酸钾碱性碳酸盐、 腐蚀性
不受二氧化碳的影响
SOFC： 1000oC、不需催化剂
工作噪声低, 可靠性高 氧化锆、氧化钇、氧化钙电解质
内部构造简单, 电池模块呈堆垒式层叠 结构使得电池组组装和维护很方便
PEMFC存在的问题： 稳定性（寿命） 可用性（CO中毒） 成本问题（膜和催化剂）
2H++ 2e-
阳极反应： 1/2O2+2H++2e总反应： 1/2O2+2H2
H2O H2O
由于质子交换膜只能传导质子， 因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极， 而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。
以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电 解质
阳极以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂涂覆在碳 纤维纸上，以氢或净化重整气为燃料