质子交换膜燃料电池的发展现状

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流质子交换膜燃料电池的发展现状.精品文档.质子交换膜燃料电池的发展现状发布日期：2015-05-30来源: 中国电池网查看次数:1093作者：db:作者核心提示：1雨口。燃料电池尔，是种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过屯极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点适山厂反应过程不涉及到燃料，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，其能量转换率高达6080，1雨口。燃料电池尔，是种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过屯极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点适山厂反应过程不涉及到燃料，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，其能量转换率高达6080，实际使用效率则是普通内燃机的2倍。另外它还具有燃料多样化环境污染小噪音低可靠性及维修性好等质子交换膜燃料电池，是作为继碱性燃料电池人阢磷酸燃料电池人阢熔融碳酸益燃料屯池况和叫体氧化物燃，电池60阢之后发展起来的第代燃料电池，由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有能量转换率高低温启动无电解质泄露等特点，也因此被公认为最有希望成为航天军事电动汽车和区域性电站的首选电源。2质子交换膜燃料电池的发展历史质子交换膜燃料电池的发展历史起源于20世纪60年代初美国的，公司为，研制的空间电源，采用的是况的，0，作为双子星座宇宙飞船的辅助电源，尽管，兀的性能现良好，但是由于当时该项技术处于起步阶段，仍存在许多问，如功率密度较低5，聚苯乙烯磺酸膜的稳定性较差，寿命仅为500左右；泊催化剂月叫太尊因此在以后的人也计划等空间应用中必人选用了当时技术比较成熟1962年美国杜邦公司开发出新型性能优良收稿日期20009收稿。公司将其用于，而0使电池寿命大幅度延长。但是由于怕催化剂用量太尚和膜的价格昂贵以及电池必须采用纯氧气作为氧化剂，使得厕冗的开发长时间是以军用为目的，限制了该项技术的广泛应用进入20世纪80年代以后，以军事应用为目发展。以美国加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展，碰阢技术的研究开发工作，使得厕兀技术日趋成熟。20世纪90年代初期，特别是近几年，随着人们对日趋严重的环境污染问的认识加深，0灰技术的开发逐渐由军用转向民用，被认为是第代发电技术和汽车内燃机的最有希望的替代者。3质子交换膜燃料电池的爻键技术，肫渌，类燃料电池结构类以，由1极，极和质子交换脱以及双极板构成。其中双极板起到传递气体和反应物的功能；阳极和阴极1载有电催化剂，燃料和氧化剂分别在此完成气体，和分隔燃料和氧化剂的功能。它们的结构和性能对，刚扣整体的性能起到了决定性的作用，因此围绕着这些部件开展的研宄设计工作也构成3.1高效新型电催化剂的研究电极催化剂是使燃料和氧化剂完成氧化和还原反应不可缺少的条件，目前，饕，捎，铀作为电催化剂，它对于两个电极反应都具有催化活性，而且可以长期使用，但是，由于钿的价格昂贵，资源匮乏，使，的成本居高不下，限制了其大规模应用。因此对于阴极催化剂研宄重点方面是改进电极结构，提高催化剂利用率另方面是寻找高效价廉的可替代贵金属的催化剂；对于阳极催化剂除了具有阴极催化剂的性能以外，还应具有抗中毒的能力。目前中广泛采，作催化剂，屯极是根据1在20世纪80年代中后期开发出究，使聪电极的钔我故进步降低到13，2，1995年印度电化学能源研究中心采用喷涂浸渍法将钔载愿降至，坪，性能，与，以，2我怕1的电极相当，最近，加大巴拉德公4宣布采用种新工艺将铂哉量降为观尽管如此，为了进步提高电催化剂的活性，近年来对新型催化剂的研究工作日益，多，如对碳载铀的元元合金作为氧还原催化，的研，等，1；外由巧，所燃料的衫样朴，使得广采用重整气及液体燃料如甲醇或由它们提供，源时，在体积重量等方面较使用纯氢将会有更大温度在60100之间。在这样的温度0付丹金属是种非常强的毒物。重整气中般含有1 62的00，这将导致阳极催化剂因0中毒而失活，使1正，性能人幅度降低。即使足痕量4.因而4找抗，毒的方法成为质子交换股燃料电池研，的关键课。直接甲醇燃料电池，是直接以甲醇为燃料的质子膜燃料电池，由于采用液体甲醇为燃料，其应用前景更加广泛。目前限制它发展的主要障碍之就是甲醇氧化中间物导致催化剂中毒及催化剂的活性不够，所以，提高阳极电催化剂活性，解决，中毒问对燃料电池的发展与实际应用将起重要的推动作用。目前针对这方面的研宄工作主要集中在采用铂合金催化剂，它们可以在较低的电势下氧化，从而降低，对电极活性的影响，但它们的抗，能力和活性目前还不能满足要求，同时在电极上吸附另外种金属原子以及采用含活性氧的仙，3型金属氧化物作为催化剂的方法也在研究之中。3.2新型质子交换膜的研究质子交换膜作为，刚冗的关键部件之，它不仅起到分隔燃料和氧化剂的作用，而且还是传导质子和电极活性物质的基底，质子交换膜的性能在很大6渡上反映了燃料电池的性能。尸，冗最早使用的质子交换膜是聚苯乙烯磺酸膜但是由于它在电池操作条件下发生降解5从20世纪60年代农使电池性能下降，因此限制了，1的发展。世纪60年代末采用了美国杜邦公司开发的优良的稳定性和高的质子传导率，使得，5，有了飞跃的发展，尽管它在性能和成本存在着不足，茧今仍被物1叱普遍使。在此之后，世界许多国家都相继开展了碰兀用质子交换膜的研究开发工作，先后开发出多种全鼠，酸型膜材料如美国，化学公司膜和膨是由于它1的价格较高，而限制了其大规格应用。为了进步提高，男阅埽，铀偎，挠每匦攵灾首，交换脱进行改进。包括提高爪的离子交换容鼾。降低膜以度以，小膜电阻低膜的制作成木，解决上述问的方法有两种是减少全氟离子交换树脂的用量，采用将树脂与其它非氟材料结合制备复合膜的方法，是开发新型抗氧化低成本的股村料树脂与杂多酸及噻吩结合制得的共混膜，由于杂多酸及噻吩的引入使得膜的电导和电导率都有所提膜的水吸收能力也比膜和认膜大，说明膜的化学性质发生了变化，但其原理尚不清楚，另外，这种膜的强度稳定性等还有待探讨。加拿大的山1；公4在新型质子交换脱方面做了大量的工作，先后研究开发出了，120和13脱，代6，脱是用取代的氟苯乙烯与氟苯乙烯共聚制得共聚物，再经，化得到的部分氟化质子交换膜这种膜的主要特点是具有非常低的胃，高的工作效率，并且使8，河15单电池的寿命提高到15受，它的确切化学组成和本征性能未公开报道。氟化烃类聚合物膜用于燃料电池的主要问低氧分子与氢离子反应生成的202会使之发生化学降解。目前具有优良热化学稳定性的高聚物很多，如聚苯撑氧芳香聚酯聚苯并咪唑聚徼亚胺聚砜聚酮等，因此有许多人在研究如何将它们经过质产化处理用厂，正0例如。将价格低廉的工程树脂聚苯并咪唑01与无机酸掺杂，可以组成单相的聚合物电解质，由此方法制成的电楼系数几乎为，即质子在膜中的传递不携带水分子，这使电池可以在高温低湿度气体条件下操作，简化了电池的水管理，同时由于使用温度可达190解决了阳极催化剂抗，3中毒问；另外，这种膜还具有低的气体和甲醇渗透率，其甲醇渗透率约是沾，膜的05因此它可能是脎肌的最佳候选电解质此种膜的稳定性和，命有待进步研宄和证实。用磺化奈型聚酰亚胺制得的膜1膜其电化学性能与财膜相近，氢气的渗透速率比，脱小倍，热稳记忭好，据报进，此膜的燃料电池使用寿命己达3 000由美国，入6公司开发的磺化苯乙烯乙烯丁稀苯乙烯嵌段共聚物膜，磺化度在50以上时，其电导率与1膜相似，当磺化度为60时达到电性能和机构性能平衡，在60，时电池寿命为2500室温时为4000比它有希望用于低温燃料电池，农用磺化聚砜聚醚砜。聚柯，作为妨广交换膜材料的研究结果均有报道，其关键的问是它们的质子传导件和机械强度的平衡以及屯池的使用寿命。3.3新型双极板与流场的研制与开发在，刚冗的运行过程中，需要用双极板来传递反应气体并排除反应生成物，它也是影响电池性能，尤其是影响电池功率密度和制造成本的另个重要因素。在，绯刈槟冢，挂，蠹，材料是电的良导体完成收集电流的作用和热的良导体利于排热，同时，由于燃料电池的工作环境中存在着酸或碱以及氧化和还原介质，所以要求双极板材料具有抗腐蚀能九如今广泛采用的双极板材料为无孔石墨抵正在开发面改性的金属板和复合型双极板。由于石墨板制造和流场机械加工的工艺都很复杂。使得采用无孔墨板制造的双极板价格吊贵，如在巴拉德动力公开发的姐551的1邪1冗的成本中双极板费1到了6，7.采用金属作双极板，不仅易于批量生产，而且双极板的厚度可大大降低如可薄至13，能大幅度提高电池组的比能量与比功率，因此金属双极板己成为各国发展的重点，其关键技niwMummimm.术之是碟，瞻，的产生，保持接触电阻恒定，对这种面改性技术各个研究单位均高度保密。另外人们还开发出了薄金属板与有孔薄碳板组成的复合型双极板，它可以减少金属机加工双极板面改性的技术难度，适于极板大批产。另外，上组装和运行脎阢屯池组的过程中，电池组的密封及代水热矜理技水等也是保证电池组成功运行的6键，4质子交换膜燃料电池技术应用开发随着对上述，砂技术关键1的研宄1作的不断深入，人们越来越沾楚地，到，该项技术己经接近实用化水平，低巢，祷，氖，场前期运作己经开始。20世纪90年代以来，厕兀系统作为军民两用电源，展现出巨大的场潜力及广阔的应前景，其产业化既会带动传统工业的发展，又会增强国家的综合实力，各国政府倾力扶持，各大公司纷纷注资，其关注的焦点集中在缙，乍1碰冗潜艇和虬级家庭电源，4.飞作为电动车动力源随着汽车工业的发展，汽车尾气对环境的污染越来越严重为保护环境。减少城市中的人气污染，适应世界各国越来越严格的汽车尾气排方文标准，世界各国政府尤其是大的汽车公司均在投资发展以口1为动力的屯动车刚电动车的样车实验己经证明，以质子交换膜燃料电池为动力的电动车性能完全可与内燃机汽车相媲美。当以纯氢为燃料时，它能达到真正的零排放。而当以车载甲醇重整器制氢为燃料时。车的气排放也能达到美内加利福1州制定的超低排放标准。因此，20世纪末国际上己形成了个燃料电池开发热潮。除各国政府投巨资支持这研究外，世界各大汽车集团和石油公士也投资并逃行各种形式的联介来发展这技术。如奔驰福特与加拿大8山31公司组成联盟，投资10亿加元开发生产电动汽车用燃料电池发动机；日本丰田与美国通用公司组成联盟开发燃料电池电动车；日本东芝公司与美国国际燃料电池公61双公司。西门子公司雷开发燃料电池电动车，本田已投资数亿美兀开发燃料电池电汽车加拿大在电动汽乍燃料电池研究中独赘头。在20世纪90年代初，加拿大的巴拉德动力公司与德国戴姆勒奔驰公利用巴拉德动力公司的祖5电池组组装出第1代以质产交换膜燃料电池为动力的电动车，考察以燃料电池为动力司又用513组装了200千瓦275马力电动车发动机，以高压氢为燃料。装备出20台试於1样年，其最高时速和爬坡能力均与柴油发动机样，并且其加速性能还优于柴油发动机。这结果进步推动了以燃料电池为动力的电动车的发展。1999年开发出的心，314燃料电池电动车被评为当年底世界杰出科技成果。目前正在进行随1900电池组的工业化生产，以期能够制记电动车燃料电池标准，占领世界电动车燃料屯池发动机的市场。成本己达到150贾，2004年达到50贾，从而商业化至今世界各人公宣布的以燃料屯池为动力制的以液态氢为动力的零排放氢动号燃料电池汽车在北京举行了技术交流和试驾试乘活动。氢动号的驾驶操纵与普通的自动档汽车很相似。它加速快，操纵灵活。从0100公里加速仅为16 8，最尚时速可达140续驶里程400在我国，国家科技部和中国科学院在九计划1995 2000年冲安排了燃料电池技术攻关项目。以大连化物所为牵头单位。在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究。旨在开发具有自主知识产权的燃料电池技术。主攻质子交换膜燃料电池，目前以纯氢为燃料的5识6=3，1为动乃的中巴车，己于2001年1月成功运行，该电池堆整体性能相当于奔驰福特与加拿大巴拉德公司诺咨局，我，通驵趣盛蜻蔌碰弈益擂半，爨栳水平。该中巴车是我国第台真正意义上的燃料我国的环保能源及交通等领域产生深远的影响，电池驱动的电动汽车，拥有自主的知识产权，将对开辟了绿色动力的新纪元。生产者电动车名称时间燃料贮存燃料供应混合动力类型戴姆勒克来斯勒汽车公压缩氢气压缩氢气直接甲醇重整液氢直接汽油重整蓄电池雷诺汽车公司液氧直接大众汽车公司甲醇重整蓄电池系列福特汽车公司压缩氢气直接通用汽车公司汽油重整蓄电池液氢直接尼桑汽车公司甲醇重整蓄电池马自达汽车公司金属氢化物超电容丰车汽车公司金属氢化物蓄电池甲醇重整蓄电池综上所述，目前国际上燃料电池电汽车技术己处厂商业化的前也阻碍燃料电池电汽个商业化的最大障碍目前有两个个是成本，另个是氢源。国际上正在开发燃料电池批量生产技米研制新电池材料，进步降低成本。可用氢源有两类类坫纯，如前所迅技术经成熟，运需要建立加氢站；另类是甲醇或汽车重整制氢，技术还需要进步完善。专家估计，燃料电池电汽车在20042005年可进入市场。在国内，在千瓦级质户交换膜燃，电池方面己基本完成实验审的研制，具备了产业化开发的能力，在国际上也产生了定的影响。但用于电汽车，才刚刚起步，还需耍逃步加强技术力，抓住这次开发绿色环保汽乍为我国来的千载难逢的机会，使我国的汽车产业赶上发达国家的水平，同时解决城市污染问斗正作家庭电源和分散电站前。尖1塔公勹1日本松下公勹介作。开发家庭0级的仰沉电源系统=加拿大83131公司从20世纪90年代起进行以天然为气源的，碰队屯站实验。目前25 1级的，屯站系统迪过寿命实验，250以级的电站正在进1实验5前景与挑战尽管冗具有高效环境友好等突出优点，似1前1在特殊场所应用和试用，若作为商品进入市场，必须大幅度降低成本使生产者和用户均能获利，即若作为电动车动力源，雨凡造价应能与汽车柴油发动机相比约50 1.芯作为各种便携式动力源。造价必须与各种化学电源相当。尽管国际上主要汽车公司都正式宣布在2005年实现燃料电池汽车的商业化。但仍在许多问有待解决，而且有些问至今没有找到解决新问，尽管如此，保护地球环境的重要性今后将尤为突出，所以在21世纪，以燃料电池为中心的交通体系有望得以实现。21世纪的前年，是燃料电池在技术和成木取突破从特殊应到商品化产业化至关重要的时期。为加速我国，雨沉开发，应当充分利用我们的资源优势，在原有工作坫础，深开展低，1含量合金电催化剂电极内，1与3最佳分布，进步提高，1利用率和降低，1用量，开发金属面改性与冲压成型技术开发廉价的部分氟化或非氟化含多元磺酸质子交换膜，甲醇汽油氧化重整制氢技术以及抗中贵的阳极电催化剂等方面的研究工作，结合各方力量联合攻关，合理分工，取长补短，为我国燃料电池技术的发展贡献份力试，为燃料电池在我实化产业化作出贡献，