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(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：(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(qiáng)。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(yáng)極)。電極又可分為氣體擴(kuò)散層和催化劑層。

2、工作時(shí)，純氫通過(guò)氣體擴(kuò)散層進(jìn)入催化劑層，H:在陽(yáng)極失去電子變成H+,H+經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與電子及O:結(jié)合生成水，完成導(dǎo)電過(guò)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(wú)污染、無(wú)噪聲、可連續(xù)工作的特點(diǎn)，而且還具有功率密度高，工作溫度低，啟動(dòng)快，膜的耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命一長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，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(dòng)產(chǎn)生能量，效率高等優(yōu)點(diǎn)。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(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極。氫在催化作用下在陽(yáng)極被氧化生成質(zhì)子

3、，質(zhì)子從陽(yáng)級(jí)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(gè)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(duì)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(tuán)作為親水基團(tuán)。連續(xù)的疏水相作為膜的結(jié)構(gòu)支撐，親水相可以?xún)?chǔ)存一定量的水。水在質(zhì)子傳導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用，促進(jìn)質(zhì)子從磺酸基分離，提供了大量的動(dòng)態(tài)水合質(zhì)子，來(lái)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)子交換膜燃料

4、電池有兩個(gè)主要的局限。一是價(jià)格昂貴，另一個(gè)是在使用過(guò)程中必須保持充分的濕度來(lái)維持較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。為了保持高質(zhì)子傳導(dǎo)率，燃料氣體(H2或空氣)必須充分地進(jìn)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(shí)也要保證電極里的水不能太多。這同時(shí)也限制了工作溫度必須低于1000C，因?yàn)樵?00℃以上運(yùn)行膜會(huì)嚴(yán)重脫水導(dǎo)致膜的導(dǎo)電性能迅速衰退。在自增濕膜方面的研究亦需要用納米級(jí)鉑或金屬氧化物。提高運(yùn)行溫度能夠提升PEMFC的性能，原因如下:1)高溫運(yùn)行能提高CO的耐受能力:燃料電池在低溫運(yùn)行時(shí)，氫燃料的CO會(huì)使電池中的鉑催化劑中毒，這使得傳統(tǒng)的燃料電池中

5、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(méi)有能量損失。2)高溫運(yùn)行符合電極動(dòng)力學(xué):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(yùn)行有利于水分控制:低溫時(shí)液體水若沒(méi)控制好會(huì)浸沒(méi)電極，而在100℃之上運(yùn)行，則無(wú)需考慮這些。4)高溫運(yùn)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(jiǎn)單。由于PEM在高溫運(yùn)行的種種優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們進(jìn)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(lái)，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(lèi)的能夠在高溫運(yùn)行的質(zhì)子交換膜材料

6、。目前許多非氟膜被開(kāi)發(fā)用來(lái)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?；腔木郾讲⑦渫?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(dǎo)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(yùn)行中保持一定濕度來(lái)維持較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，因此，它們的運(yùn)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(dá)200℃的條件下運(yùn)行。P

7、EMFC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(yáng)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?xì)浠衔铩Ｔ赑EMFC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(yùn)困難，補(bǔ)加不便，且價(jià)格較昂貴，嚴(yán)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(wèn)題的同時(shí)，一面在嘗試使用其它燃料，目前，液態(tài)烴或甲醇是電動(dòng)汽車(chē)燃料電池首選燃料。甲醇燃料的優(yōu)越性在于:電化學(xué)活性高，可在電極上直接被氧化，室溫下液態(tài)，易于攜帶與運(yùn)輸，高能量密度，

8、價(jià)格便宜，廉價(jià)易得，屬于可再生資源。以甲醇為燃料的P