氫燃料電池技術文檔燃料電池用質子交換膜的研究

燃料電池用

質子交換膜的研究博士生：才英華導師：衣寶廉院士 張華民研究員SeminarⅡ2025/3/161FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS質子交換膜在PEMFC中的作用2025/3/162FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS質子交換膜特性高的質子傳導能力，電導率>0.1S/cm良好的化學與電化學穩(wěn)定性低的反應氣體滲透系數(shù)膜表面具有一定的黏彈性一定的機械強度2025/3/163FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS報告內容Nafion系列膜PTFE－Nafion復合膜非氟質子交換膜自增濕膜高溫膜2025/3/164FuelCellR&DCenter303,DICP,CASNafion系列膜DuPont公司：2025/3/165FuelCellR&DCenter303,DICP,CASNafion膜在PEMFC中的應用Phys.Chem.Chem.Phys,2001(3):3175~3179范圍性能EW800~1500電導率0.20~0.05S/cm電導2~20S/cm2尺寸穩(wěn)定性X、Y方向10~30%厚度50~250(μm)已被證明的壽命>5000h2025/3/166FuelCellR&DCenter303,DICP,CASNafion膜缺點

價格昂貴，500~800$/m2→300$/m2

機械強度差

尺寸穩(wěn)定性差

制作過程不夠環(huán)保2025/3/167FuelCellR&DCenter303,DICP,CASPTFE-Nafion復合膜便宜易得高強度優(yōu)異的耐熱性和化學穩(wěn)定性對大多數(shù)溶劑是惰性的微孔均勻分布高壽命高質子電導率復合膜：

改善Nafion膜的機械強度

尺寸穩(wěn)定性

膜的厚度減薄

降低成本

改善膜內水傳遞和分布

利于提高電池性能2025/3/168FuelCellR&DCenter303,DICP,CASPTFE多孔膜PTFE-Nafion復合膜(a)表面；(b)縱切面J.MembraneScience,2003(212):213~2232025/3/169FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS/fuelcells/fuel_cells_presentation_cost_effective.pdfGore-Select?20μm厚的復合膜的脫水收縮僅為Nafion117膜的1/4；干強度與Nafion117膜相近；濕強度明顯優(yōu)于Nafion1172025/3/1610FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS技術關鍵：降低Nafion樹脂在PTFE多孔膜中表面張力和增加Nafion樹脂的浸潤性，確保樹脂浸入到PTFE多孔膜的孔中，形成致密的復合膜2025/3/1611FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS非氟質子交換膜降低膜的成本，促進PEMFC的商業(yè)化避免全氟磺酸膜制備過程中對環(huán)境產生的影響提高非氟膜的質子電導率，往往是以犧牲膜的熱力學性能、氣密性甚至增大滲透性為代價，所以電池的壽命均比較短。2025/3/1612FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS非氟質子交換膜降解機理運行228h后膜減薄20μm；陰極收集水是陽極收集水的16倍；陰極排出水中降解物濃度比陽極高近一個數(shù)量級。氧在陰極還原時產生H2O2中間物，在微量金屬離子作用下產生HO?和HO2?等氧化性自由基，進攻聚合物膜，導致膜降解。聚苯乙烯磺酸膜2025/3/1613FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS如何在PEMFC中利用非氟膜？PSSA，AnodeNafion，Cathode聚苯乙烯磺酸膜2025/3/1614FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS自增濕膜簡化系統(tǒng)的結構，提高系統(tǒng)的重量比功率降低膜的厚度，提高質子電導能力Nafion膜體系Nafion-PTFE復合膜體系NafionPt/CPTFENafion2025/3/1615FuelCellR&DCenter303,DICP,CASJ.PowerSources,139(2005),170~175J.PowerSources,124(2003),81~892025/3/1616FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高溫膜燃料電池高溫操作的優(yōu)勢：降低CO在Pt電催化劑上的吸附效應，提高電池抗CO性能；10ppm@<120℃→zero@>140℃提高陰、陽極的反應速率；簡化PEMFC的熱管理和水管理；降低膜材料的成本；2025/3/1617FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高溫膜材料探索Nafion或SPEEK（磺化聚醚醚酮）復合膜酸浸漬PBI（聚苯并咪唑）膜固體酸膜磷酸或磷酸鹽ZrTiCs-SO3H2025/3/1618FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高溫膜材料導電特性2025/3/1619FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS高溫PEMFC研究現(xiàn)狀膜的電導率高溫膜的穩(wěn)定性和壽命高溫PEMFC的MEA制備2025/3/1620FuelCellR&DCenter303,DICP,CAS參考文獻衣寶廉，燃料電池－原理、技術、應用，化學工業(yè)出版社，2003DuX.Z.,YuJ.R.etal.,Phys.Chem.Chem.Phys.,3(2001),3175LiuF.Q.,YiB.L.etal.,J.MembraneScience,212(2003),213/fuelcells/fuel_cells_presentation_cost_effective.pdf,更新時間，2005.3候士法，何耀春等，高分子通報，5（2003)，7于景榮，自增濕質子交換膜燃料電池的研究，[學位論文]，中科院大連化物所，2000劉富強，質子交換膜燃料電池復合膜的研究，[學位論文]，中國科學院大連化物所，2002LiuF.Q.,YiB.L.,etal.,J.PowerSources,124(2003),81YangB.,FuY.Z.,etal.,J.PowerSources,139(2005)170Hogarth