高溫質(zhì)子交換膜

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1、PEM：質(zhì)子交換膜PEFMC：質(zhì)子交換膜燃料電池PBI：聚苯并咪唑mPBI：聚[2,2’-(間苯基-5,5’)-聯(lián)苯并咪唑]ABPBI：聚2,5一苯并咪吟ABPBIDABA：3,4一二氨基苯甲酸SOPBI：磺化聚苯并咪唑第一章引言燃料電池與傳統(tǒng)能源利用方式相比具有以下特點與優(yōu)勢：(1)能量轉(zhuǎn)化效率高。(2)比能量或比功率高。(3)清潔、安靜、污染小。(4)可靠性高。(5)適用性強。質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池((PEMFC)是以一種聚合物膜即質(zhì)子交換膜(PEM)作為固體電解質(zhì)的燃料電池，在膜的兩側(cè)是電極(陰，陽極)。電極又可分為氣體擴散層和催化劑

2、層。工作時，純氫通過氣體擴散層進入催化劑層，H:在陽極失去電子變成H+,H+經(jīng)質(zhì)子交換膜到達陰極，與電子及O:結(jié)合生成水，完成導電過程。質(zhì)子交換膜燃料電池，不僅具有一般燃料電池所具有的高效率、無污染、無噪聲、可連續(xù)工作的特點，而且還具有功率密度高，工作溫度低，啟動快，膜的耐腐蝕性強，使用壽命一長等優(yōu)點。近年來，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)成為了一種備受關(guān)注的清潔能源工藝。質(zhì)子交換膜燃料電池具備方便易攜帶，自動產(chǎn)生能量，效率高等優(yōu)點。質(zhì)子交換膜(PEM)是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件。質(zhì)子交換膜能夠使質(zhì)子從電池陽極轉(zhuǎn)移到陰極。氫在催化作用下在陽極被氧化

3、生成質(zhì)子，質(zhì)子從陽級轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極和氧反應(yīng)生成水并放出熱。質(zhì)子交換膜位于兩個電極之間。質(zhì)子交換膜須具備以下特性:易裝卸;排列緊密;可以大批量生產(chǎn);對于氣體滲透反應(yīng)具有很大的耐受性。Nation膜是典型的在低溫使用的質(zhì)子交換膜。Nation膜具有多相結(jié)構(gòu):疏水相作為連續(xù)相，磺酸基團作為親水基團。連續(xù)的疏水相作為膜的結(jié)構(gòu)支撐，親水相可以儲存一定量的水。水在質(zhì)子傳導中起著至關(guān)重要的作用，促進質(zhì)子從磺酸基分離，提供了大量的動態(tài)水合質(zhì)子，來保持Nation膜的理想性能。為了保持膜的水合狀態(tài)，反應(yīng)氣體都必須具備一定的濕度。應(yīng)用Nafion.膜或其它全氟磺酸膜的質(zhì)

4、子交換膜燃料電池有兩個主要的局限。一是價格昂貴，另一個是在使用過程中必須保持充分的濕度來維持較高的質(zhì)子傳導率。為了保持高質(zhì)子傳導率，燃料氣體(H2或空氣)必須充分地進行水合。因此，濕度控制變得尤為重要，既要保持膜中含有充足的水份同時也要保證電極里的水不能太多。這同時也限制了工作溫度必須低于1000C，因為在100℃以上運行膜會嚴重脫水導致膜的導電性能迅速衰退。在自增濕膜方面的研究亦需要用納米級鉑或金屬氧化物。提高運行溫度能夠提升PEMFC的性能，原因如下:1)高溫運行能提高CO的耐受能力:燃料電池在低溫運行時，氫燃料的CO會使電池中的鉑催化劑中毒，這使得

5、傳統(tǒng)的燃料電池中需要更高純度的氫。而在高溫，鉑不易中毒，電池可以承受氫燃料中3%的CO而沒有能量損失。2)高溫運行符合電極動力學:可以使電極反應(yīng)加快，這與陰極中氧還原有關(guān)。3)高溫運行有利于水分控制:低溫時液體水若沒控制好會浸沒電極，而在100℃之上運行，則無需考慮這些。4)高溫運行地有利于剩余熱量的管理:高溫使得剩余熱的能量轉(zhuǎn)化更為簡單。由于PEM在高溫運行的種種優(yōu)勢，學者們進行了大量的關(guān)于高溫PEMFC的研究工作。一方面，新型的能夠在高溫保持水份的全氟膜及其替代品被研制出來，比如一些新型的嵌段聚合物及納米復(fù)合材料。另一方面，研發(fā)了其他種類的能夠在高溫

6、運行的質(zhì)子交換膜材料。目前許多非氟膜被開發(fā)用來代替Nafion。膜。其中大多數(shù)的非氟膜都是具備良好熱穩(wěn)定性的磺化聚合物，比如聚礬(PSU)，聚醚楓(PES)，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚苯硫醚(PPS)及聚酞亞胺(PI)等。磺化的聚苯并咪哇(PBI)，聚苯并啥哇(PBO)，聚苯并唾哇(PBT)等也被應(yīng)用作質(zhì)子傳導材料。然而，所有這些磺化膜，包括全氟，非氟，部分氟化膜都需要在運行中保持一定濕度來維持較高的質(zhì)子傳導率，因此，它們的運行溫度依舊很低。近些年，磷酸摻雜聚苯并咪哇被廣泛地研究用作燃料電池膜。聚苯并咪哇膜具備優(yōu)異的性能可以在干燥的、高達

7、200℃的條件下運行。PEMFC關(guān)鍵組件PEMFC由電催化劑，質(zhì)子交換膜，電極，雙極板組成。其中質(zhì)子交換膜與陰陽極組成膜電極，PEMFC的燃料，除氫氣以外，還可選用多樣化的燃料，如醇、醛、酸、碳氫化合物。在PEMFC基礎(chǔ)上，以含碳燃料代替普遍采用的純氫氣，有利于PEMFC系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，而且氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)和貯運困難，補加不便，且價格較昂貴，嚴重阻礙了燃料電池系統(tǒng)商業(yè)化的步伐。研究者們一面在尋求解決上述問題的同時，一面在嘗試使用其它燃料，目前，液態(tài)烴或甲醇是電動汽車燃料電池首選燃料。甲醇燃料的優(yōu)越性在于:電化學活性高，可在電極上直接被氧化，室溫下液態(tài)，

8、易于攜帶與運輸，高能量密度，價格便宜，廉價易得，屬于可再生資源。以甲醇為燃料的P