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PEFC(固体高分子燃料电池)的基础知识

目录

1. 电池的结构
2. 电极催化剂
3. 高分子固体膜
4. 膜电极组件(MEA)
5. 隔膜

1.电池的结构

图1所示为PEFC电池的基本结构。电池的英语为cell,由各种材料(包括正极和负极)组合而成的最小单元称为单电池。单电池进行多层堆叠后形成电堆(stack),将电堆安装在家用燃料电池和燃料电池汽车中进行发电。

图1.jpg

图1:PEFC电池的基本结构

构成单电池的材料为:在中心作为电解质的高分子固体膜(厚度约10μm),以及形成于电池两面的负极层和正极层(各层厚度约10μm)。高分子固体膜上含有促进各极电化学反应的催化剂(主要为Pt催化剂)。在其外侧,作为气体扩散层,配置有碳纤维制成的碳纸等多孔体层(厚度为几十μm~数百μm)。将上述所有结构一体化,即可形成膜电极组件(MEA:Membrane Electrode Assiembly)。为了堆叠MEA制成电堆,需要在各MEA之间配置带有气体流路的隔膜(厚度约0.5mm~数mm)。

由于燃料电池汽车内安放电堆的空间有限,所以要尽可能地减小单电池的厚度,压缩电堆的尺寸。因此,需要减小各部件的厚度,但是这样一来会导致隔膜等部件的机械强度下降。另外,虽然减小高分子固体膜的厚度可以降低电池的内阻,但这不仅会导致机械强度降低,还会造成氢和氧的渗透(气体交叉),加速其化学劣化。为了满足对电池性能和耐用性等各种特性的要求,经过多年对各种材料的开发以及对其组合的研究,现在家用燃料电池和燃料电池汽车已进入市场销售。当然,对于各种材料的进一步改良仍在持续进行中。

2. 电极催化剂

位于负极和正极的电极催化剂在很大程度上能够决定电池的性能,可以说是燃料电池的核心材料。在较低温度(80℃左右)下运行的PEFC中,为了促进负极氢气的氧化反应和正极氧气的还原反应,主要使用具有高活性的Pt作为催化剂。与负极相比,正极反应的活化能(分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量)更大,因此需要进一步提高正极的催化剂活性。

由于催化反应发生在物质表面上,所以为了提高催化剂的活性,需要扩大其表面积。也就是说,必须以更小的颗粒使用Pt材料。但是,仅仅将Pt变成小颗粒

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