关于质子交换膜燃料电池的概论

关于质子交换膜燃料电池的简介随着时代的发展，能源日益受到人们的重视，随着一次能源（煤、石油、天然气）因被开采消耗而日益减少，但随着时代的进步，人类对能源的需求愈来愈大，当前可用的能源量从数量和质量上都渐渐无法满足人类的需求，因此开发新能源，找到能够让人类继续享受生活的新能源正渐渐走入人类的视野，也逐渐成为横在人类进步路上亟待解决的的“拦路虎”之一。另外，随着人类的进步，对能源质量的需求也愈发增高，即不仅仅是对高能的需求，而且对环境的影响也被考虑在内那些对环境有巨大污染的能源（一次能源，和部分其他能源），都将会被人类排除到视野之外，各种绿色能源都成为人类的追求。然而对于新能源，新能源是指传统能源之外的各种能源形式。它的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部所产生的热能。包括太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。而对于本文，则主要要讲一种关于新能源的利用形式————燃料电池，质子交换膜燃料电池。1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为积木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和火力发电厂相比，非常灵活。而对于质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。燃料电池优点-----------------------------------------燃料电池的结构-------------------------------------燃料电池的发展瓶颈-----------------------------------燃料电池的发展前景------------------------------------一，燃料电池的优点——效率高。燃料电池发电不经过从热能到机械能再到电能的转换过程，因而没有中间环节的能量损失。能量转化效率高，他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环（卡诺循环(Carnotcycle)是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。即理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2），再从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3），此后，从状态3等温压缩到状态4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环）的限制。现在，火力发电或原子能发电最高效率只不过是40％，而燃料电池的发电效率一般为40％～60％。工作温度高的熔化碳酸盐型和固体电解质型燃料电池，排放的余热还可用于二次发电。利用余热进行电热联供或进行联合发电，燃料电池的综合利用效率可达70％～80％。——机动灵活。燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。一个基本单元是两个电极夹一个电解质板。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组，再将电池组集合起来就形成了发电站。可以根据不同的需要灵活地组装出不同规模的燃料电池发电站。燃料电池的基本单元可按设计标准预先进行大规模生产，所以燃料电池电站的建设成本低，建造周期短。另外，由于燃料电池重量轻、体积小、比功率高，移动起来比较容易，所以它特别适合在海岛上或边远地区建造发电站，或建造分散型电站。——燃料多样。虽然燃料电池的工作物质主要是氢，但它可用的燃料有煤气、甲醇、液化石油气等各种碳氢化合物。根据实际情况，因地制宜地使用不同的燃料，或将不同的燃料进行组合使用，可以达到就地取材、节省资源的目的。——无污染。燃料电池的生成物主要是水，基本上不排放有害气体，所以它是一种非常清洁的能源。据报道，一些燃料电池的有害气体排放量比美国的国家环保标准规定低两个数量级。另外，燃料电池是静止发电，本身无机械传动装置，只是在控制系统等辅助装置中有运动部件，因而它工作时振动很小，噪音很低。质子交换膜燃料电池的结构质子交换膜燃料电池（PEMFC）是以全氟磺酸型离子交换膜—Nafion（nafion室友全氟磺酸酯构成的一种优良的阳离子交换剂。在nafion内部，分子憎水剂的畴的链端为亲水性的离子化磺酸基，由于其离子交换作用的是磺酸基，所以他对阳离子有很好的选择性）为电解质、以Pt／C为电催化剂、氢气或重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂、工作温度一般在60~100°C的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种高效、节能、安全可靠的新型环保电池。适用于交通、电站、可移动电源及潜艇等多种用途，具有广阔的市场前景，已引起越来越多国家和企业的重视，都纷纷斥巨资于这一项目，目前已接近于商业化应用PEMFC是利用质子交换聚合物作为电解质，将电解质膜压在两电极之间，构成一个单一的膜电极组件。膜电极组件是燃料电池的核心部分，其厚度不到1mm，质子交换膜燃料电池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2H2-4e=4H+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O2+4e+4H+=2H2O,生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出，目前阻止燃料电池进入市场的主要因素是其成本太高。质子交换膜燃料电池主要由MEA和极板两部分构成，要降低其成本和提高输出功率，除了改进三合一膜电极组件、降低铂含量或选用铂的替代金属外，主要是设法选择合适的极板材料、流场结构、合理的制备工艺，降低电池的内阻，提高电池的性能。机加工石墨流场板的成本占整个电池组成本的60%~70%，因此，降低双极板的成本对于质子交换膜燃料电池的产业化具有重要意义。它的主要结构（1），双极板双极板的两侧分别刻有燃料和氧化剂流场，反应气体通过极板六道进入燃料电池内部进行反映，同时双极板还具有导电功能和阻气作用质子交换膜燃料电池的双极板具有以下功能和特点：（1）分隔氧化剂与还原剂。要求双极板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料。如果采用，必须要采取措施堵孔。（2）有收集电流作用，必须采用电的良导体；极板必须是热的良导体，以保证电池组的温度均匀分布和排热方案的实施。（3）双极板材料必须能在电池工作条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。（4）双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道（即所谓的流场），以确保反应气在整个电极各处均匀分布。（5）双极板材料应质量轻、强度好，并且适于批量加工。（2），气体扩散层气体扩散层又可分为扩散层和催化层。扩散层是一种以碳纸或碳布为基底，并涂有输水功能的聚四氟乙稀（聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene，“PTFE”一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料）的多孔结构。扩散层具有如下功能①支撑催化层②导电物质碳为电子提供通道；③由PTFE形成的疏水孔为气体的扩散提供通道；④表面没有PTFE的孔为液体水流动提供通道。催化层时发生电化学反应的地方，它由催化剂Pt/C和疏水性物质PTFE构成。催化层通常深入质子导体nafion溶液，构成一个电解质、催化剂和反应气体共存的反应区，从而提高催化剂的利用效率。（3）电解质膜电解质膜是氢离子传递的通道，同时水也可以通过在其中传递。制备后的气体扩散电极经热压与PEM相结合，形成膜电极三合一组件（膜电极三合一组件，MEA，MembraneElectrodeAssemblies。MEA是燃料电池的质子交换膜(PEMs)，催化剂和电极的组合。该质子交换膜是夹在两电极之间，催化剂嵌入在他们之间。电极相对质子交换膜是绝缘的。这两个电极分为阳极和阴极。该质子交换膜是质子渗透膜，它是绝缘的。通过这个绝缘膜运输质子从阳极向阴极，电子则从导电的路径运输到阴极。如杜邦公司(Dupont)，DowandE-TEK都在生产质子交换膜PEMs。杜邦公司的PEM商标名称Nafion，该公司使用的Nafion质子交换膜有Nafion112，115，117，105）也可以分为，1，电极组中间层为高分子质子交换膜，简称交换膜，是固态高分子电解材料，用以传送质子，且须隔阻电子与气体通过；其两边外侧为触媒反应层，阳极与阴极的电化学反应分别在此两层进行，目前以铂／碳或铂／钌／碳粉体为触媒；2，气体扩散组触媒层两边外侧是两层扩散层，为经疏水处理以避免水分阻塞的碳纤维，能将反应物扩散至触媒反应层，并将生成物扩散排出；扩散层两边外侧为两层流场板，与扩散层接触面有许多气体导流槽，反应物与生成物即经由这些导流槽进出燃料电池；3，导电隔离组于流场板外侧是导电板，负责收集电流，再经由电路传送至负载；最外层有两片压板，用以固定与隔离保护整个电池组。瓶颈之一——质子交换膜燃料电池的水、热管理1水管理的重要性膜电极(MembraneElectrodeAssembly,简称MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,对PEMFC的输出功率、能量密度分布及工作寿命有着决定性的影响。提高膜电极性能的关键是在催化粒子的周围形成良好的质子、电子和气体通道,因此,膜应有一定的含水量,以保证膜良好的质子传导性,否则膜易脱水、皱缩甚至破裂,严重阻碍质子传导;同时水也不能太多,膜的含