会员中心 Insert title here

公告栏

国际原油: WTI 72.07 ↑0.16 布伦特 74.10 ↑0.31

当前位置: 首页 > 氢能 > 氢气 > 氢能百科

燃料电池质子交换膜浅析

信息来源:金联创 2020-01-19 13:17:00
收藏 | 打印  

燃料电池

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中,氢和氧通过化学反应生成水,并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常,阳极和阴极上都含有一定量的催化剂,加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质,电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例:H2进入燃料电池的阳极部分,阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子,电子相结合生成水。

燃料电池主要特点如下:(a)能量转化效率高。燃料电池能量转化过程不受卡诺循环的限制,理论上最大效率可达80%以上,实际工作效率受极化现象等影响在40%~60%。(b)清洁无污染。以纯氢为燃料时,产物只有水,几乎不产生有害物质。富氢气体为燃料进行脱硫除氮工作,几乎不排放硫氧化物和氮氧化物。(c)工作噪音低。运动部件非常少,因此其工作噪音很小,十分安静。(d)部件少,可靠性及维护性好。可以作为各种不间断电源和应急电源使用。


质子交换膜燃料电池

质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件,是一种厚度仅为50~180um的薄膜片。它为质子传递提供通道,同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开,其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同,它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料,还是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底,即兼有隔膜和电解质的作用;另外,PEM还是一种选择透过性膜,在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性,在质子交换膜的高分子结构中,含有多种离子基团,它只容许氢离子(氢质子)透过,而不容许氢分子及其他离子透过。质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率,还要有适度的含水率,对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性,并同时具有足够高的机械强度和结构强度,以及膜表面适合与催化剂结合的性能。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC),采用高分子膜作为固态电解质,具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点,被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。PEMFC除了具有燃料电池的一般特点之外,还具有其他突出的优点:工作电流大,比功率高,可达到1 kW/kg;使用固体电解质膜,能够有效避免腐蚀问题和电解液泄露;工作温度低,可在-30°C环境下启动;启动速度快,几秒钟内即可实现冷启动;组成简单、结构紧凑、重量小,便于携带;由于没有运动部件,工作噪音低;寿命长等。


质子交换膜燃料电池

全氟磺酸型PEM

到目前为止,已经开发出了大量的PEM材料。从膜的结构来看,PEM大致可分为三大类:磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物电解质。质子交换膜燃料电池曾采用酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜。研究表明,全氟磺酸型膜最适合作为质子交换膜燃料电池的固体电解质。

全氟PEM:

全氟磺酸型PEM由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成,具有极高的化学稳定。其质子传导率在50°C的水中可达100 mS cm-1以上。全氟磺酸膜的优点是:机械强度高,化学稳定性好和在湿度大的条件下导电率高;低温时电流密度大,质子传导电阻小。但是全氟磺酸质子交换膜也存在一些缺点,如:温度升高会引起质子传导性变差,高温时膜易发生化学降解;单体合成困难,成本高;价格昂贵;用于甲醇燃料电池时易发生甲醇渗透等。

部分氟化PEM:

针对全氟磺酸型质子交换膜价格昂贵、工作温度低等缺点,研究人员除了对其进行复合等改性外,还开展了大量新型非全氟膜的研发工,部分氟化磺酸型质子交换膜便是其中之一,部分氟化膜有利于在燃料电池苛刻的氧化环境下保证质子交换膜具有相应的使用寿命。如聚三氟苯乙烯磺酸膜、Ballard公司的BAM3G膜、聚四氟乙烯-六氟丙稀膜等。

非氟PEM:

近十多年来,大量全芳型非氟碳氢化合物高分子材料被开发出来,其中主要有磺化聚醚酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亚胺及磺化聚苯等。与全氟磺酸膜相比,非氟磺酸膜具有很多优点:(1)价格便宜得多,很多材料都容易买到;(2)含极性基团的非氟聚合物亲水能力在很宽温度范围内都很高,膜保水能力较高;(3)通过适当的分子设计,稳定性能够有较大改善;(4)废弃非氟聚合物易降解,不会造成环境污染。

责任编辑:王泽楷 010-84428902   投诉建议:贾晓京 010-84428816    E-mail:padmin@315i.com 

金联创声明

· 凡本网内容注明出处为“金联创”的所有文字、图片、音视频稿件均属金联创网所有,任何媒体、网站或个人未经授权不得转载、链接、转帖或以其他方式复制发表。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。

· 本网信息数据均来自可靠来源,但基于信息来源或第三方可能出现的人为或技术错误, 金联创不保证此等信息的准确性、适当性和完整性,以及因使用此等信息而导致的任何后果不负任何责任。

· 如因信息内容、版权和其它问题需要与本网联系的,请发送邮件

立即 下载
大数据智能决策终端

金联创APP
客户端免费下载
1.26《每日大宗》

时间: 2021-01-26

1.25《每日大宗》

时间: 2021-01-25

1.22《每日大宗》

时间: 2021-01-22

1.21《每日大宗》

时间: 2021-01-21