大学应用化工技术论文

大学应用化工技术论文内容摘要：

Zhigang Qi等发现 ， 在膜 电极结构中添加水管理层后，可以避免不同种类的碳河南机电高等专科学校毕业论文 /设计 8 纸所引起的性能差异。 J． Mirzazadeh等的研究结果表明，水管理层对电化学反应的动力学性能并没有影响，但能明显提高 PEMFC在高电流密度区的性能。 Jinhua Chert等重点研究了水管理层的水管理功能。 水管理层可以使整个电极内部的水分布更均匀，从而使整个质子交换膜保持均较高质子导电性能；水管理层还可有效地避免质子交换膜缺水以及阴极的淹渍现象，从而使 PEMFC性能得到改善。 此外，气体扩散层的厚度、 PTFE含量以及孔率等均对 膜电极 MEA的性能具有重要影响。 适 中的碳载量以及 PTFE更有利于改善 PEMFC的性能。 Chang Sun Kong等在水管理层中添力 Li2CO3作为造孔剂，通过热处理使 Li 2CO3分解成孔，并发现水管理层中孔径的分布比总的 孔 率对 PEMFC性能影响更大。 PEMFC 的工作原理 膜电极组件 (MEA)是单体电池的心脏 ， 燃料电池反应便发生在此组件上。 MEA 位于石墨极板之间 ， 由固体电解质膜、催化剂电极和电极支撑体组成 ， 其厚度不到 1mm。 电解质膜用热压法粘到电极上 ， 制造膜的材料是过氟化磺酸 ( 如杜邦公司生产的 Nafion系列材料 )， 它必 须在燃料电池工作期间保持充分水化状态 ， 以达到最大限度的质子传导率。 PEMFC在常压和低于 100℃ 下工作。 PEMFC的工作原理图如图 12 所示 ， PEMFC的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。 当 PEMFC工作时，由双极板向 MEA供给纯氢或混有二氧化碳的氢气以及氧化剂 ( 如空气 ) ， 反应物穿过多孔的碳电极载体进入铂催化层 ， 氢燃料在阳极上发生反应 ， 生成电子和氢离子： H2→2H ++2e Eθ= 0. 000 V 氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极 ， 并在阴极与电子和空气提供的氧结合成水： 1/2O2+2H++2e→H 2O Eθ= 1. 234 V 河南机电高等专科学校毕业论文 /设计 9 图 12 PEMFC的组成及工作原理示意图 这样 ， 氢和氧通过 PEMFC结合产生电力 ， 并生成副产品水和热量 : 1/2 O2+ H2→H 2O Eθcell= 1. 234 V 从图 13可以看出，氢气由阳极进入燃料电极，由于铂催化剂的作用，变成两个 H+和两个电子，电子通过外循环电路，回到电池的阴极，氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极。 同时 O2在燃料电池的阴极通过催化剂形成两个 O原子，每一个 O原子都有一个强的负电荷，这负电荷通过膜吸引 两分子的 H+，在这里两个 H+，一个 O原子和两个电子形成一分子的水。 所以只要向燃料电池不断供给燃料和氧化剂，它就会不断的产生直流电。 双极板一般用纯石墨制成 ， 它上面有一些机械加工的沟槽 ， 供氢气和空气进入 ， 也供排水用。 反应产生的热量由冷却片散发。 目前 ， PEMFC一般在 80~ 90℃ 下工作 ， 产生的热量尚不能有效利用。 将若干个 MEA串联起来可构成电池组 ， 提供 1~ 25kw 动力 ， 再把电池组串联成电池堆 ，这样便可提供足够的动力 ， 用于驱动小骄车 (50kw)、公共汽车 ( 200kw) ， 或者作为供电站的动力源。 河南机电高等专科学校毕业论文 /设计 10 第 2 章 质子交换膜燃料电池的技术与发展 质子交换膜燃料电池的发展状况 质子交换膜燃料电池由于其独特的优越性被世界各国广泛关注，包括中国在内的世界各国都在不同层次的进行着质子交换膜燃料电池的研究开发，当然各国更加关注的是将其应用到实践中，现在各国已经在不同程度上使质子交换膜燃料电池在实际中得到应用。 国际上的发展情况 美国 美国能源部的报告指出燃料电池的研制开发已达到历史性突破边缘 ， 欧、美、日的激烈竟争已进入冲刺阶段。 燃料电池技术将成为 二十一世纪 汽车工业竞争的焦点。 为此 ， 美国政府在十余 年来 ， 已投入约二十亿美元用于研制开发。 美国的几大汽车公司、电力公司和国际部也分别投入数亿美元 ， 用于汽车、电站及军用产品的开发。 加拿大 加拿大巴拿德公司在政府投入巨额资金的支持下 ， 在质子交换膜燃料电池的技术上处于世界最高水平。 巴拿德公司 1993年研制出了世界第一台质子交换膜燃料电池公交车样车 ， 近几年又研制制造数台样车 ， 其大客车功率达 205kw。 巴拿德公司在其中得到加拿大和美国政府有关部门近 200万美元的资金支持。 这些样车分 别在加拿大 BC省、美国芝加哥、洛杉矶试运行。 巴拿德公司还在政府支持下研制电站移动电 源 ， 潜艇方面取得巨大进展。 德国 奔驰汽车公司自 1993年投入数 千 万美元研制质子交换膜燃料电池汽车 1995年研制出欧洲第一辆 50千瓦面包车并进行试运行。 德国 HDW造船公司以 680美元购买巴拿德公司研制的质子交换膜燃料电池用于制造潜艇 ， 德国使用质子交换膜燃料电池为动力的 212型潜艇 于 2020年左右开始服役。 日 本 1981一 1990年日本政府的 “ 月光工程 ” 投入 制 ， 其后又制定了 “ 新阳光工程 ”。 准备从 1993年 到 2020年准备投入 110亿美元 ，用于燃料电池的年开发应用。 丰田公司已展示功率 20 kw燃料电池的小轿车。 丰田、东芝等公司也纷纷投入燃料电池汽车的研制。 河南机电高等专科学校毕业论文 /设计 11 国际合作 1997年 ， 国际上 ， 在质子膜燃料电池研制开发应用上的一个具有重大意义的举措是 ， 1997年 4月巧日奔驰公司以每股 35加元购买巴拿德公司 25 % 股权 ， 共计。 12月 15日福特汽车公司以 15 % 股份 ，并于2020年使质子交换膜燃料电池汽车生产达到十万辆的能力 ， 实现商业化目标。 同时 ， 美国最大的电力公司 GPU公司 ， 法国 GSC公司也同巴拿德公司合作 ， 投入上亿美元 ， 建立质 子交换膜燃料电池电站生产厂 ， 生产 250 kw电站 ， 初期生产能力将在年 50~60套以上。 由此 ， 质子交换膜燃料电池已成为世界各大工业国家争夺竞争的一个重大目标 ， 因为它将在电力、汽车等支柱工业上成为 21世纪的新型产业。 国内发展情况 60年代初 ， 我国即开始研制燃料电池 ， 但由于各种原因终搁置。 1997年原国家科委批准了 “ 燃料电池技术 ” 为国家 “ 九五 ” 计划中重大科技攻关项目之一 ，其中 PEMFC为主要研究项目。 目前 PEMFC已由基础性研究拓展至 PEMFC系统和样机的研制 ， 有望在不远的将来取得可喜成果。 近些年 ， 燃 料电池的研制开发又提到议事日程上 ， 尽管财力物力极为困难 ， 技术难度极大 ， 仍有十几个以上单位在艰苦努力的研制 ， 并取得很大进展。 ( 1) 富原公司。 自 1996年至今 ， 已研制完成 50~5000w各种型号质子交换膜燃料电池样机。 在此基础上 ， 可以满足我国在各方面对质子交换膜燃料电池实用大功率样机的需求。 富原公司已在燃料电 池 技术上在国内报了部分专利 ， 随之发展将陆续申报有关专利。 同时 ， 还有许多诀窍是富原公司拥有的独特技术与资本。 ( 2) 中科院大连化物所。 中国科学院大连化学物理研究所从 1993年开展质子交换膜燃料电池工 作的研究 ， 目前已掌握了一系列 PEMFC的关键技术，并 于 1998年 1月展示了他们完成的 1 000w质子交换膜燃料电池 ， 并抓紧尽快完成 1kw ~10 kw样机。 大连化学物理所承担的 863攻关项目再生氢氧燃料电池也于 2020年通过国家有关部门的验收。 2020年 1月，中国科学院大连化学物理研究所、电工研究所和第二汽车制造厂试验燃料电池中巴车获得成功； 2020年 3月 16日 ， 中国科学院在大连化学物理所召开了 “ 5~10kw质子交换膜燃料电池开发 ” 的成果鉴定会。 经鉴定委员会确认 ， 该所成功地开发出薄金属双极板额定功率为 5~ 10kw的电池组。 ( 3) 清华大学、华中工学院、华南工学院、石油大学、武汉大学等也在进行质子交换膜燃料电池的研究工作。 1998年 1月 ， 国家科委决定将燃料电池列为 “ 九五 ” 科技攻关项目。 其中 ， 质子交换膜燃料电池为主攻项目。 在 2020年北京奥运会期间，全国共有 500辆新能源燃料电池汽车组成 “ 绿色车队 ” ，投入示范运营，其中，由上海燃料电池汽车动力系统有限公司、同济大学、上汽集团等提供动力系统，河南机电高等专科学校毕业论文 /设计 12 上海大众汽车有限公司负责制造的 20辆 (有 18辆车的氢燃料电池发动机是由上海神力科技有限公司研制提供的 )帕萨特领驭氢能源燃料电池轿车是我国第一批获得上路许可准入的新能源燃料电池汽车。 这批汽车经过了严格的安全性、耐久性检测，每辆车都完成了安全驾驶 3000km的检测，这是我国自主研发燃料电池汽车走 出 实验室以来的首次规模化的示范运行活动，也是我国节能与环保尖端科技成果面向世界的一次展示。 华南理工大学独立研发的 300kw质子交换膜燃料电池示范电站于2020年年底已悄悄启用，项目投资 1850万元，占地仅 2020平方米 ,是一个“微型”的发电厂。 该发电厂彻底颠覆传统煤电模式，能量利用率可达 90%。 目前这一项目已得到华电、粤 电的“青睐” ,相关部门正在洽谈在大学城建设一个 6000～ 10000kw燃料电池发电厂，而华工的教授也计划将广州的公交车能源更换为燃料电池。 质子交换膜燃料电池的关键技术 PEMFC 与其它种类燃料电池结构类似 ， 由阳极、阴极和质子交换膜以及双极板构成 ， 其中双极板起到传递气体和反应物的功能 ； 阳极和阴极上载有电催化剂 ，燃料和氧化剂分别在此完成气体的分散和电化学反应 ； 质子交换膜担负着传导质 子和分隔燃料和氧化剂的功能。 它们的结构和性能对 PEMFC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 究、设计工作也构成了 PEMFC的关键技术。 高效、新型电催化剂的研究 电极催化剂对于燃料电池来说至关重要，催化剂的催化效率决定了电极的反应速率，也就决定了燃料电池的效率。 常用的催化剂大致有以下几类： (1) 铂催化剂。 目前 ， PEMFC使用的是以活性炭、炭黑以及石墨炭材料为载体的铂催化剂分散于不同的载体中 ， 制成复合电极材料 ， 是提高铂催化剂利用率的有效途径。 碳纳米管具有极大的比表面积和良好的导电性 ， 被认为是一种良好的催化剂载体。 Rajalakshmi N 等人通过乙烯基乙二醇和铂盐制得了负载量为 %的碳纳米管载铂催化剂 ， 分析发现铂沉积在碳纳米管表面之前用低浓度的硝酸处理碳纳米管 ， 可以增加催化剂的催化活性。 Smirnova A等人采用凝胶碳做载体 ，利用丝网印刷技术成功制备了 Pt / C阳极催化剂 Pt的负载量为 0. 06~。 Ysmael Verde Gomez等人研究发现加热分解 Pt ( NH4 ) 2Cl6可以得到分布均匀的 Pt 催化剂。 (2) 铂合金催化剂。 重整碳氢化合物得到的氢气中常常含有 CO杂质 ， CO会使催化剂中毒 ， 使其催化能力大大降低。 通过 Pt和 Ru（钌） 的协同作用 ， Pt Ru 催河南机电高等专科学校毕业论文 /设计 13 化剂对 CO具有抗毒能力 ， 使电池维持较高的性能。 Adzic等人将 Ru沉积在碳载体表面 ， 然后再将 Pt 沉积在碳载体上 ， 可以得到催化性能及抗 CO性能良好的催化剂 ，并且铂的用量大大降低。 周伟江 等人在铂中掺入 Sn、 Ru、 W、 Pd 等制备了二元合金催化剂。 催化活性顺序为 : Pt 1Sn1 / C Pt 1Ru1 / C Pt 1W1 / C Pt1 Pd1 / C Pt/ C( 下标为质量之比 )。 Parageopoulos D C等人发现在 Pt Ru中掺入 原子百分比为20 at.%的 Mo（钼） ， 能够提高 PtRu / C催化剂的抗 CO性能。 ( 3) 铂 氧化物及非铂系催化剂。 周帅林 等人研制出抗毒性和稳定性良好的Pt / γ Al2O3催化剂。 Attila Wootsch 等人制备了性能优异的 Pt/CeO2 ， 但是只适合运行温度在 130 ℃ 以下的 PEMFC。 Jong Won Park 等研制了 Cu Ce/γAl2O3和 Cu Ce Co/γAl2O3电催化剂 ， 并发现后者更适合做 PEMFC 的电催化剂。 俄罗斯的 Frukin AN Institute o f Electro chemistry RAS 的研究人员对非铂催化剂进行了比较系统的研究。 新型质子交换膜的研究 PEMFC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 ， 使电池性能下降 ， 因此限制了 PEMFC的发展。 自从 20 世纪 60年代末采用了美国杜邦公司开发的。