《有机无机复合质子交换膜的制备》开题报告

《有机-无机复合质子交换膜的制备》开题报告中国计量学院材料科学与工程学院2011年4月有机-无机复合质子交换膜的制备Ⅰ、文献综述质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算有机-无机复合质子交换膜的制备-1-机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。由于质子交换膜燃料电池发电系统有望成为移动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究。就备用氢能发电系统而言，除质子交换膜燃料电池单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外，其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术，质子交换膜燃料电池发电机电气输出补偿与电力变换技术，质子交换膜燃料电池发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术，适应环境要求的空气(氧气)供应技术，氢气安全监控与排放技术，氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用质子交换膜燃料电池氢能发电电热联产联供系统，以及质子交换膜燃料电池氢能发电站建设技术等等。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。质子交换膜(ProtonExchangeMembraneFuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源.用作PEM的材料应该满足以下条件：良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好、价格适当。一、燃料电池工作原理与结构1、氢气通过管道或导气板到达阳极；2、在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H2→2H++2e。3、在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O有机-无机复合质子交换膜的制备-2-总的化学反应为：H2+1/2O2＝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，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。二、电堆的构成电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。电堆核心电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt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，在一定温度和压力下模压制成。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。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，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。三、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、凝结对有机-无机复合质子交换膜的制备-3-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。四、机电一体化集成为了确保质子交换膜燃料电池电堆的正常工作，通常将电堆、氢气和氧气处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成，构成质子交换膜燃料电池发电机。根据不同负载和环境条件，配置氢气和氧气存储系统、余热处理系统和电力变换系统，并进行机电一体化集成就可构成质子交换膜燃料电池发电站。通常，质子交换膜燃料电池发电站由质子交换膜燃料电池发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站自动控制系统构成。氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发电量确定。氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有多种，主要按电站所处环境条件及技术经济指标来决定。氢气存储是建设质子交换膜燃料电池发电站的关键问题之一，储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。空气供应保障系统对地面开放空间的质子交换膜燃料电池应用(如燃料电池电动车)不成问题，但对地下工程或封闭空间的应用来说却是一个十分重要的问题，如何设置进气通道必须进行严格的论证。氢气安全监控与排放装置是氢能发电站的一个特有问题，由于氢气是最轻的易燃易爆气体，氢气储存装置、输送管道、阀门管件、质子交换膜燃料电池电堆以及电堆运行的定时排空都可能引起氢气泄漏，为防止电站空间集聚氢气的浓度超过爆炸极限，必须实时检测、报警并进行排放消除处理。氢气安全监控与排放消除装置由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成，传感器必须安装在电站空间的最高处。冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理质子交换膜燃料电池发电机运行产生的热量，保有机-无机复合质子交换膜的制备-4-障电站环境不超温。将质子交换膜燃料电池发电站的余热进行再利用，如用于工程除湿、空调、采暖或洗消等，实现电热联产联供，可大大提高燃料利用效率，具有极好的发展与应用前景。电气系统根据工程整体供电方式和结构对质子交换膜燃料电池发电机发出电力进行处理后与电网并联运行或/和直接向负载供电，涉及潮流、开关设备、表盘和继电保护等。采用质子交换膜燃料电池发电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电方式，因此其电气及变配电系统是一个值得深入研究的问题。电站自动化系统是为保障质子交换膜燃料电池发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计算机参数检测与协调控制的自动装置，一般应采用分布式控制系统(DCS)或现场总线控制系统(FCS)。主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器，通讯总线和控制器，并提供向工程控制中心联网通讯的接口。主要功能包括参数检测、显示、报警，历史数据存储，故障诊断，事故追忆，操作指导，控制保护输出和数据信息管理等，是质子交换膜燃料电池电站信息化、智能化的核心。Ⅱ、选题意义质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心,其性能将直接影响PEMFC的电池性能、能量效率和使用寿命。目前国内外应用最广泛的是以全氟磺酸为骨架的Nafion膜，Nafion在常温和高湿度下能达到高的质子导电率，Nafion价格昂贵,约1000美元／m2，另外，Nafion导电率随温度升高而降低，Nafion膜能透过甲醇和氢，这些都限制了Nafion的应用。这就迫切要求开发导电性能优良、成本经济、甲醇渗透率低的新型电解质材料。Ⅲ、实验方案设计及优化1.制作质子交换膜溶液1）称取适量FR921并与N,N-二甲基乙酰胺溶液混合均匀；2）将CsHSO4固体研磨均匀，按与FR921不同质量比例掺入到1）中所得溶液。3）在恒温加热磁力搅拌器上搅拌均匀。2．制作质子交换膜有机-无机复合质子交换膜的制备-5-用涂膜仪将上述混合均匀的溶液涂到玻璃上，置于烘箱中在60度恒温下烘烤4-5小时即可。3．质子交换膜性能的测试1）测膜的导电率2）测甲醇的透过率4．膜性能的优化反复进行试验，确定掺入CsHSO4与FR921的最佳质量比使得膜的导电率及甲醇的透过率不断提高。参考文献:[1]衣宝廉著.燃料电池原理-技术-应用.北京：化学工业出版社，2003.[2]袁权主编.能源化学进展.北京：化学工业出版社，2005.[3]中国燃料电池商品化不再遥远.摘自《科学时报》，2005.[4]岳瑞娟，耿东森，李培金.质子交换膜的持水能力对燃料电池性能的影响[J].云南大学学报（自然科学版），2004.[5]于景荣，衣宝廉，韩明等.Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响[J].电源技术，2001.[6]邵志钢，衣宝廉，韩明等.质子交换膜燃料电极的一种新的制备方法电化学[J],电源技术，2000.[7]KatohM,lgarashiY,KojimaA,etal.Plasmaparametersinplatinumfilmformationonthevariousmaterialsbyplasma[J].JPhotoploymerScienceandTechnology,2003，16（1）：37-38.[8]RyanO,LeeS,Cha,etal.Ashappeakintheperformanceofsputteredplatinumfulecellsatuitra-lowp;atinumloading[J].JPowerSources,2002，109（2）：483-493.