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1、质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 Proton exchange membrane fuel cell-PEMFC主要内容主要内容1 PEMFCPEMFCPEMFCPEMFC分类及其工作原理分类及其工作原理分类及其工作原理分类及其工作原理2 电极的分类及其制作电极的分类及其制作电极的分类及其制作电极的分类及其制作3非氟聚合物质子交换膜非氟聚合物质子交换膜非氟聚合物质子交换膜非氟聚合物质子交换膜1.质质子交换膜燃料电池子交换膜燃料电池n n氢氧燃料电池氢氧燃料电池氢氧燃料电池氢氧燃料电池-hydrogen oxygen fuel cell-hydrogen oxygen fuel celln
2、 n直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池-direct methanol fuel cell-direct methanol fuel celln n直接乙醇燃料电池直接乙醇燃料电池直接乙醇燃料电池直接乙醇燃料电池 -direct ethanol fuel cell-direct ethanol fuel celln n直接甲酸燃料电池直接甲酸燃料电池直接甲酸燃料电池直接甲酸燃料电池-direct formic acid fuel cell-direct formic acid fuel cellPEMFC的优点的优点工作温度低工作温度低工作温度低工作温度低启动快启
3、动快启动快启动快能量密度高能量密度高能量密度高能量密度高寿命长寿命长寿命长寿命长重量轻重量轻重量轻重量轻无腐蚀性无腐蚀性无腐蚀性无腐蚀性n n不受二氧化碳的影响不受二氧化碳的影响不受二氧化碳的影响不受二氧化碳的影响n工作噪声低工作噪声低,可靠性高可靠性高n内部构造简单内部构造简单,电池模块呈堆垒式层叠电池模块呈堆垒式层叠结构使得电池组组装和维护很方便结构使得电池组组装和维护很方便Ag、Ni，催化剂价低高纯H2，低温运行，CO2、KOH，K2CO3150-220oC高温、余热利用率高100%磷酸、Pt催化剂唯一液体、水，无腐蚀性多孔Ni催化剂、600-700oC、透明液体电解质碳酸锂、碳酸钾碱性
4、碳酸盐、腐蚀性1000oC、不需催化剂氧化锆、氧化钇、氧化钙电解质AFC：PAFC：MCFC：SOFC：PEMFC：稳定性（寿命）稳定性（寿命）可用性（可用性（CO中毒）中毒）成本问题（膜和催化剂）成本问题（膜和催化剂）开发性能优良、开发性能优良、价格低廉的价格低廉的膜材膜材料料成为燃料电池成为燃料电池的主要研究方向的主要研究方向PEMFC存在的问题：存在的问题：质子交换膜燃料电池的构造质子交换膜燃料电池的构造如右图示一个单电池如右图示一个单电池n n质子交换膜质子交换膜n n电催化剂电催化剂n n碳纤维碳纤维纸纸扩散层扩散层外电路氢气氢气氧气氧气阳极阳极阴极阴极总反应总反应：H2+1/2O2
5、 H2O膜膜外电路外电路电解质电解质2e2ePEMFC工作原理工作原理质子交换膜型质子交换膜型PEMFCPEMFC，反应式如下：反应式如下：H22H+2e-1/2O2+2H+2e-H2O1/2O2+2H2H2O阳极反应阳极反应：阳极反应阳极反应：总反应总反应：由于质子交换膜只能传导质子，由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。n n以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电解质解质n n阳极以阳极以Pt/C或或Pt-Ru/
6、C为电催化剂涂覆在碳为电催化剂涂覆在碳纤维纸上，以氢或净化重整气为燃料纤维纸上，以氢或净化重整气为燃料n n阴极以阴极以Pt/C为催化剂、空气或纯氧为氧化为催化剂、空气或纯氧为氧化剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板改性金属板为双极板重整气，CO、10-4 V/V60-100oC、10-6 V/V CO、Pt中毒失效electrolyteanodecathode燃料燃料氧化剂氧化剂未反应未反应 燃料燃料未反应未反应氧化剂氧化剂空气空气/O2 氢氧燃料电池氢氧燃料电池 直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池 直接乙醇燃料电池直接乙醇燃料电池 直接甲
7、酸燃料电池直接甲酸燃料电池H2CH3CH2OHH+CH3CH2OHHCOOHCH3CH2OHH2CH3OHO2O2O2O2电解液电解液CO260-90oC膜膜质子交换膜质子交换膜(CF2 CF2)n CF2 CF n Dupont公司生产的公司生产的Nafion系列膜，系列膜，m=1，n Dow公司试制高电导的全氟磺酸膜，公司试制高电导的全氟磺酸膜，m=0n 制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜 O(CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3-SO2R -S
8、O3H优点：优点：具有高化学稳定性和高质子传导率具有高化学稳定性和高质子传导率缺点：n需要很高的水含量才能有足够的导质子能力需要很高的水含量才能有足够的导质子能力,但但是由于其吸水能力有限是由于其吸水能力有限,需要连续对膜进行增湿需要连续对膜进行增湿,增加了燃料电池系统设计的复杂性增加了燃料电池系统设计的复杂性;n由于脱水由于脱水,很难在高于很难在高于100100度以上操作度以上操作,这限制了这限制了电池性能进一步提高和余热的充分利用电池性能进一步提高和余热的充分利用n用于直接甲醇燃料电池时用于直接甲醇燃料电池时,甲醇渗透率过高甲醇渗透率过高n价格昂贵价格昂贵,且含有氟元素且含有氟元素,降解时
9、产生对环境有降解时产生对环境有害的物质害的物质聚四氟乙烯：化学惰性、无毒。260 oC以上、变性 350 oC 以上、分解F F-、H H2 2SiFSiF6 6、NaNa2 2SiFSiF6 6、HFHFNaFNaF、少量、预防龋齿，20世纪10大公共健康成就之一大量、生成不溶CaF2、低血钙症4g NaF4g NaF、0.2g Na0.2g Na2 2SiFSiF6 6、致命电催化剂电催化剂n n电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的催化作用，是多相催
10、化的一个分支。得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。n n特点：特点：特点：特点：n n电催化反应速度不仅由电催化反应速度不仅由电催化反应速度不仅由电催化反应速度不仅由电催化剂的活性电催化剂的活性电催化剂的活性电催化剂的活性决定，还与决定，还与决定，还与决定，还与双双双双电层内电场电层内电场电层内电场电层内电场及及及及电解质溶液的本性电解质溶液的本性电解质溶液的本性电解质溶液的本性有关。有关。有关。有关。n n由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的由于双
11、电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的由于双电层内的电场强度很高，对参加电化学反应的分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能分子或离子具有明显的活化作用，反应所需的活化能大大降低，所以，大部分大大降低，所以，大部分大大降低，所以，大部分大大降低，所以，大部分电催化反应电催化反应电催化反应电催化反应均可在远比均可在远比均可在远比均可在远比通常通常通常通常化学反应低得多的温度下进行化学反应低得多的温度下进行化学反应低得多的温度下进行化学反应低得多的温度下进行。n n例如在例如在例如在例如在铂黑电催化
12、剂铂黑电催化剂铂黑电催化剂铂黑电催化剂上可使上可使上可使上可使丙烷丙烷丙烷丙烷于于于于150-200150-200150-200150-200o o o oC C C C完全氧化完全氧化完全氧化完全氧化为为为为COCOCOCO2 2 2 2和水。和水。和水。和水。PEMFC电催化剂的研发方向电催化剂的研发方向n n降低铂的载量降低铂的载量n n提高铂的利用率提高铂的利用率n n开发非铂高催化活性的催化剂开发非铂高催化活性的催化剂n n提高催化剂的抗提高催化剂的抗COCO中毒性能中毒性能n n电化学反应必须在适宜的电化学反应必须在适宜的电解质溶液电解质溶液中进中进行，在行，在电极与电解质的界面电
13、极与电解质的界面上会吸附大量上会吸附大量的的溶剂分子和电解质溶剂分子和电解质，使，使电极过程与电极过程与溶剂溶剂及及电解质本性电解质本性的关系极为密切的关系极为密切。这一。这一点导点导致电极过程比多相催化反应更加复杂。致电极过程比多相催化反应更加复杂。O2的还原峰H2O的氧化分解H+的还原、H2析出H2的脱附、氧化PEMFC中催化剂电极的制备工艺：n n多孔气体扩散电极多孔气体扩散电极n n由扩散层和催化层组成由扩散层和催化层组成 -扩散层扩散层的作用是的作用是支撑催化层支撑催化层，收收集电流集电流，并为电化学反应提供电子通道，并为电化学反应提供电子通道，气体通道气体通道和和排水通道排水通道
14、-催化层则是发生催化层则是发生电化学反应的场电化学反应的场所所是电极的核心部分是电极的核心部分n n电极扩散层一般电极扩散层一般n n由碳纸或碳布制作由碳纸或碳布制作n n厚度为厚度为0.2-0.3mm0.2-0.3mmn n制备方法为：制备方法为：n n将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液(PTFE)(PTFE)进行憎水处理进行憎水处理n n用称重法确定浸入的用称重法确定浸入的PFTEPFTE量量n n将浸好将浸好PTFEPTFE的碳纸置于温度的碳纸置于温度330-340330-340度的烘箱度的烘箱内进行热处理内进行热处理n n使得使得使得使得均匀分散在碳纸
15、的纤维上均匀分散在碳纸的纤维上均匀分散在碳纸的纤维上均匀分散在碳纸的纤维上n n达到优良的憎水效果达到优良的憎水效果达到优良的憎水效果达到优良的憎水效果 2.电极的分类及其制作电极的分类及其制作厚层憎水厚层憎水催化层电极催化层电极薄层亲水薄层亲水催化层电极催化层电极超薄超薄催化层电极催化层电极双层双层催化层电极催化层电极高活性催化剂高活性催化剂质子通道质子通道电子通道电子通道反应气通道反应气通道生成水通道生成水通道热的良导体热的良导体一定机械强度一定机械强度工作条件下稳定工作条件下稳定电极要求电极要求合理合理分配分配降低降低担持量担持量2.1 厚层憎水厚层憎水催化层电极催化层电极厚层憎水厚层憎
16、水催化层电极工艺流程催化层电极工艺流程Pt/C 电催化剂电催化剂PTFENafion树脂树脂碳纸碳纸 气体传递气体传递 水传递水传递 质子传递质子传递 电子传递电子传递四种传递通道四种传递通道Pt/C:PTFE:Nafion=54:23:23（质量比）质量比）氧电极氧电极Pt担量担量：0.30.5 mg/cm2氢电极氢电极Pt担量担量：0.10.3 mg/cm2传统工艺，技术成熟传统工艺，技术成熟大多采用催化层大多采用催化层/扩散层憎水，利于生成水排扩散层憎水，利于生成水排出出厚层憎水厚层憎水催化层电极特点催化层电极特点采用采用PTFE做疏水剂，不利于质子、电子传导做疏水剂，不利于质子、电子传
17、导催化层至膜的催化层至膜的Nafion变化梯度大，不利于变化梯度大，不利于Nafion膜与催化层粘合。电池长时间运行，电极与膜膜与催化层粘合。电池长时间运行，电极与膜局部剥离，增加接触电阻。局部剥离，增加接触电阻。薄层亲水薄层亲水薄层亲水薄层亲水电极的制备工艺流程电极的制备工艺流程电极的制备工艺流程电极的制备工艺流程2.2 薄层亲水薄层亲水催化层电极催化层电极（CCM,catalyst coating membraneCCM,catalyst coating membraneCCM,catalyst coating membraneCCM,catalyst coating membrane）溶
18、解氧在水中扩散系数溶解氧在水中扩散系数溶解氧在水中扩散系数溶解氧在水中扩散系数 1010-4-41010-5-5 cmcm2 2/s/s溶解氧在溶解氧在溶解氧在溶解氧在NafionNafion中中中中扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数 1010-5-5 cmcm2 2/s/s催化层内传递通道催化层内传递通道Pt/C电催化剂电催化剂Nafion树脂树脂水和水和Nafion内溶解扩散内溶解扩散水传递水传递电子传递电子传递质子传递质子传递气体传递气体传递催化层催化层55mmPt担量担量0.050.1mg/cm2涂厚，性能差涂厚，性能差n n加入一定比例加入一定比例加入一定比例加入一定比例憎水剂憎水剂憎
19、水剂憎水剂（粘结剂）（粘结剂）（粘结剂）（粘结剂）和和和和造孔剂造孔剂造孔剂造孔剂薄层亲水薄层亲水催化层电极改进催化层电极改进Pt/C电催化剂与电催化剂与 Nafion比例优化比例优化 Pt/C:Nafion=3:1（质量比）质量比）Pt/C电催化剂与电催化剂与造孔剂造孔剂 （草酸氨）（草酸氨）比例优化比例优化 Pt/C:(NH4)C2O4=1:1（质量比）质量比）Nafion 115，80、H2/O2、0.3/0.5MPa、增湿，、增湿，85 Nafion含量（质量比）对含量（质量比）对电池性能的影响电池性能的影响25%0%10%50%80%经过改进薄层亲水电极与传经过改进薄层亲水电极与传统
20、工艺电极性能比较统工艺电极性能比较催化剂催化剂减少减少20倍倍薄层亲水薄层亲水催化层电极特点催化层电极特点有利于电极催化层与膜紧密结合有利于电极催化层与膜紧密结合Pt/C催化剂与催化剂与Nafion型质子导体保持良好接触，催化层型质子导体保持良好接触，催化层中质子、电子传导性好中质子、电子传导性好催化层中只有催化剂与催化层中只有催化剂与Nafion，催化剂分布比较均匀催化剂分布比较均匀催化层厚度薄，催化层厚度薄，Pt担量降低担量降低催化层内无疏水剂，气体传质能力低催化层内无疏水剂，气体传质能力低尽量减薄催化层厚度尽量减薄催化层厚度真真真真空空空空等离子体等离子体等离子体等离子体溅溅溅溅射示意图
21、射示意图射示意图射示意图2.3 超薄超薄催化层电极催化层电极 PtPt催催化化层层厚厚度度11010-2-2 S/cm S/cm&良好的化学与电化学稳定性良好的化学与电化学稳定性&膜具有低反应气体渗透系数膜具有低反应气体渗透系数&膜具有一定干态或湿态机械强度膜具有一定干态或湿态机械强度&膜具有很好的热稳定性膜具有很好的热稳定性非氟质子交换膜研究背景非氟质子交换膜研究背景优点：优点：优点：优点：良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；较高的质子电导率；较高的质子电导率；较高的质子电导率；较高的质子电导率；缺点：缺点：缺点：缺点：价格昂贵；价格昂贵；价格昂贵；价格昂
22、贵；500500800$/800$/mm2 2 玻璃化温度较低不适合高温操作；玻璃化温度较低不适合高温操作；玻璃化温度较低不适合高温操作；玻璃化温度较低不适合高温操作；F F F F污染；污染；污染；污染；开发价格低廉，性能优异的非氟开发价格低廉，性能优异的非氟PEM非氟质子交换膜研究背景非氟质子交换膜研究背景全氟磺酸质子交换膜全氟磺酸质子交换膜全氟磺酸质子交换膜全氟磺酸质子交换膜-Nafion-Nafion3000-5000 Yuan/m2优点：优点：价格低廉；价格低廉；玻璃化温度较高适合高温操作；玻璃化温度较高适合高温操作；机械强度高；机械强度高；缺点：缺点：抗氧化性差抗氧化性差 易降解易
23、降解非氟磺酸质子交换膜非氟磺酸质子交换膜：非氟聚合物质子交换膜分类非氟聚合物质子交换膜分类聚合物均质膜聚合物均质膜骨架直接磺化非氟聚合物膜骨架直接磺化非氟聚合物膜取代基磺化的聚合物膜取代基磺化的聚合物膜先磺化单体，后聚合类聚合物膜先磺化单体，后聚合类聚合物膜非氟复合膜非氟复合膜聚合物聚合物/无机酸复合体系无机酸复合体系聚合物聚合物/纳米无机粒子复合体系纳米无机粒子复合体系聚合物聚合物/聚合物复合体系聚合物复合体系悬垂链、增加柔韧度，悬垂链、增加柔韧度，提高质子导电率提高质子导电率聚合物均质膜聚合物均质膜 骨架直接磺化非氟聚合物膜骨架直接磺化非氟聚合物膜 直接磺化性能优异的一些芳香族聚合物直接磺
24、化性能优异的一些芳香族聚合物 聚苯并咪唑（聚苯并咪唑（PBI）聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）聚醚醚酮（聚醚醚酮（PEEK）聚苯硫醚（聚苯硫醚（PPS）等）等 SPEEK 反应一般都发生在苯环上的活性位置上，由于苯环上带反应一般都发生在苯环上的活性位置上，由于苯环上带有有供电基团供电基团(如如-O-O-键键)使磺酸根的酸性减弱使磺酸根的酸性减弱，降低降低了了质子电质子电导率导率 空间位阻空间位阻的作用使其的作用使其磺化度不高磺化度不高，且聚合物的，且聚合物的溶解性溶解性和和电导率电导率受到一定的影响受到一定的影响 取代基磺化的聚合物膜取代基磺化的聚合物膜 磺化反应发生在取代基上使得磺化基团有更大的磺
25、化反应发生在取代基上使得磺化基团有更大的活动空间，其电化学性质也应相对更优活动空间，其电化学性质也应相对更优 电化学性质受取代基种类和磺化基团含量的影响电化学性质受取代基种类和磺化基团含量的影响聚合物均质膜聚合物均质膜聚合物均质膜聚合物均质膜 先磺化单体，后聚合类聚合物膜先磺化单体，后聚合类聚合物膜磺化单体磺化单体聚合反应聚合反应 提高聚合物的酸度和磺化度提高聚合物的酸度和磺化度 可以从分子角度设计合成性能优异的聚合物可以从分子角度设计合成性能优异的聚合物可以从分子角度设计合成性能优异的聚合物可以从分子角度设计合成性能优异的聚合物1n1-n基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物
26、复合膜基于非氟聚合物复合膜（一）聚合物（一）聚合物/无机酸复合体系无机酸复合体系 将具有将具有优良热化学稳定性的高聚物优良热化学稳定性的高聚物用用强酸质子强酸质子化处理化处理后再用于质子交换膜燃料电池后再用于质子交换膜燃料电池 聚苯并咪唑聚苯并咪唑(PBI)聚环氧乙烷聚环氧乙烷(PEO)聚乙烯醇聚乙烯醇(PVA)聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺(PAAM)高温体系高温体系Poly methyl methacrylate,PMMAPoly acryl amide（二）聚合物二）聚合物/纳米无机粒子复合体系纳米无机粒子复合体系 目前，聚合物目前，聚合物/纳米无机粒子复合体系中纳米无机粒子主要集中纳米无机粒子复
27、合体系中纳米无机粒子主要集中：保水纳米粒子，例如：保水纳米粒子，例如：SiO2 or TiO2 即有保水性能又能传导质子的杂多酸等即有保水性能又能传导质子的杂多酸等基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜高温高温增湿体系增湿体系（三）聚合物（三）聚合物/聚合物复合体系聚合物复合体系 通过调节疏水和亲水链的比例或者通过通过调节疏水和亲水链的比例或者通过交联的方式可以提高膜的机械性能；同时交联的方式可以提高膜的机械性能；同时聚合物复合体系兼有两种聚合物的性质。聚合物复合体系兼有两种聚合物的性质。聚合物聚合物/聚合物复合体系聚合物复合体系-物理混合物理混合 聚
28、合物聚合物/聚合物复合体系聚合物复合体系-化学交联化学交联基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜基于非氟聚合物复合膜 聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）60年代初用于美国的年代初用于美国的GE公司研制空间电源公司研制空间电源 近年来，对非近年来，对非氟质子膜进行离子化处理使其具有导质子性氟质子膜进行离子化处理使其具有导质子性氟质子膜进行离子化处理使其具有导质子性氟质子膜进行离子化处理使其具有导质子性 增强膜的研究进展增强膜的研究进展增强膜的研究进展增强膜的研究进展将将SPEEK与与PEI（聚醚酰亚胺聚醚酰亚胺）共混，）共混，PEI与与SPEEK分子间分子间形形成氢键成氢键，共混可
29、以，共混可以增强复合膜的强度增强复合膜的强度;掺杂无机酸掺杂无机酸又可以使其又可以使其电电导率增加导率增加几倍几倍非氟质子交换膜的研究进展非氟质子交换膜的研究进展非氟质子交换膜的研究进展非氟质子交换膜的研究进展对磺化聚醚醚酮质子交换膜用于对磺化聚醚醚酮质子交换膜用于PEMFCPEMFC的性能进行了研究，的性能进行了研究，发现利发现利用浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化改性用浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化改性时，可通过改变反应时，可通过改变反应温度、反应时间和反应物浓度，制得具有温度、反应时间和反应物浓度，制得具有适宜磺化程度适宜磺化程度的的SPEEK由浸渍方法制成的聚苯并咪唑（由浸渍方法制成的聚苯并咪唑（PB
30、I）/H3PO4膜在高温膜在高温时具有良好的电导率，水时具有良好的电导率，水的电渗系数几乎为零，电池可以在的电渗系数几乎为零，电池可以在高温、低湿度气体条件高温、低湿度气体条件下操作温度可达下操作温度可达190190（高温膜的研究）（高温膜的研究）PBI PBI 质子电导率与浸酸种类、浓度、浸渍时间有关质子电导率与浸酸种类、浓度、浸渍时间有关:H2SO4H3PO4HNO3HClO4HCl 近年来报道利用固体酸化合物（近年来报道利用固体酸化合物（CsHSO4、CsH2PO4）作为）作为PEMFC的膜的膜 材料，这些固体酸在材料，这些固体酸在室温下为有序的氢键排列结构室温下为有序的氢键排列结构，加
31、热后加热后它的它的结构变为无序结构变为无序，当温度高到一定值时，当温度高到一定值时，质子传导率增加质子传导率增加2 23 3个个数量级数量级（固体酸膜）（固体酸膜）固体酸膜都比较厚固体酸膜都比较厚 非氟质子交换膜的研究进展非氟质子交换膜的研究进展非氟质子交换膜的研究进展非氟质子交换膜的研究进展非氟聚合物质子交换膜降解机理的研究非氟聚合物质子交换膜降解机理的研究抗氧化性差抗氧化性差易降解易降解非氟非氟PEM存在的问题存在的问题研究非氟研究非氟PEM的降解机理，根据降解机理设计的降解机理，根据降解机理设计非氟非氟PEM在在PEMFC中中应用应用具有重要意义和应用价值具有重要意义和应用价值非氟聚合物
32、质子交换膜降解机理非氟聚合物质子交换膜降解机理氧气渗透到阳极，在氧气渗透到阳极，在催化剂的表面形成催化剂的表面形成HO2 自由基自由基，进攻聚，进攻聚苯乙烯磺酸膜苯乙烯磺酸膜碳上的叔氢而导致膜降解碳上的叔氢而导致膜降解O2在阴极还原时产生了在阴极还原时产生了 H2O2中间产物中间产物，并，并与微量的金属离子与微量的金属离子反反应应产生产生HO 和和HO2 等等氧化自由基氧化自由基，进攻聚合膜进攻聚合膜聚苯乙烯磺酸膜和接枝的聚苯乙烯磺酸膜聚苯乙烯磺酸膜和接枝的聚苯乙烯磺酸膜碳碳非氟质子交换膜降解机理非氟质子交换膜降解机理聚苯乙烯磺酸膜聚苯乙烯磺酸膜O2在阴极还原产生在阴极还原产生H2O2中间产物
33、，并与微量的金属离子反应产中间产物，并与微量的金属离子反应产生生HO 和和HO2 等氧化自由基，进攻聚苯乙烯磺酸膜等氧化自由基，进攻聚苯乙烯磺酸膜碳上的碳上的叔氢而导致膜降解，膜降解主要发生在电池阴极侧，降解过程叔氢而导致膜降解，膜降解主要发生在电池阴极侧，降解过程中苯环和磺酸根同时从膜上掉下中苯环和磺酸根同时从膜上掉下运行运行228228h h后膜减薄后膜减薄2020mm；阴极收集水阴极收集水是阳极收集水的是阳极收集水的1616倍；阴极排出水中降倍；阴极排出水中降解物浓度比阳极高近一个数量级解物浓度比阳极高近一个数量级解决方法在膜内掺杂过氧化氢在膜内掺杂过氧化氢在膜内掺杂过氧化氢在膜内掺杂过
34、氧化氢HH2 2OO2 2分解剂，减小其对膜的破坏分解剂，减小其对膜的破坏分解剂，减小其对膜的破坏分解剂，减小其对膜的破坏对膜进行复合改性，对膜进行复合改性，对膜进行复合改性，对膜进行复合改性，加入加入加入加入NafionNafion，提高其稳定性：如提高其稳定性：如提高其稳定性：如提高其稳定性：如PSSA-Nafion 101 PSSA-Nafion 101；PSSA-recast Nafion PSSA-recast Nafion 复合膜复合膜复合膜复合膜聚苯乙烯磺酸膜聚苯乙烯磺酸膜PSSA，AnodeNafion，Cathode大大高于大大高于194h无性能衰退无性能衰退非氟质子交换膜发
35、展方向非氟质子交换膜发展方向利用现有性能优良，成本较低的聚合物进行有机和利用现有性能优良，成本较低的聚合物进行有机和利用现有性能优良，成本较低的聚合物进行有机和利用现有性能优良，成本较低的聚合物进行有机和/或无或无或无或无机复合改性机复合改性机复合改性机复合改性,在增加质子传导性的同时，提高膜的稳定性在增加质子传导性的同时，提高膜的稳定性在增加质子传导性的同时，提高膜的稳定性在增加质子传导性的同时，提高膜的稳定性 改变膜的质子传导机理，提高膜在高温下的质子传导性能，改变膜的质子传导机理，提高膜在高温下的质子传导性能，改变膜的质子传导机理，提高膜在高温下的质子传导性能，改变膜的质子传导机理，提高膜在高温下的质子传导性能，开发高温质子交换膜燃料电池开发高温质子交换膜燃料电池开发高温质子交换膜燃料电池开发高温质子交换膜燃料电池随着新的质子交换膜材料的出现，以及随着新的质子交换膜材料的出现，以及随着新的质子交换膜材料的出现，以及随着新的质子交换膜材料的出现，以及PEMFCPEMFC技术的应技术的应技术的应技术的应用领域的扩大，质子交换膜的制造成本将大幅度下降用领域的扩大，质子交换膜的制造成本将大幅度下降用领域的扩大，质子交换膜的制造成本将大幅度下降用领域的扩大，质子交换膜的制造成本将大幅度下降