关于质子交换膜燃料电池的简介随着时代的发展，能源日益受到人们的重视，随着一次能源（煤、石油、天然气）因被
开采消耗而日益减少，但随着时代的进步，人类对能源的需求愈来愈大，当前可用的能源量从数量和质量上都渐渐无法满足人类的需求，因此开发新能源，找到能够让人类继续享受生活的新能源正渐渐走入人类的视野，也逐渐成为横在人类进步路上亟待解决的的“拦路虎”之一。
另外，随着人类的进步，对能源质量的需求也愈发增高，即不仅仅是对高能的需求，而且对环境的影响也被考虑在内那些对环境有巨大污染的能源（一次能源，和部分其他能源），都将会被人类排除到视野之外，各种绿色能源都成为人类的追求。
然而对于新能源，新能源是指传统能源之外的各种能源形式。它的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部所产生的热能。包括太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。
而对于本文，则主要要讲一种关于新能源的利用形式————燃料电池，质子交换膜燃料电池。
1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简
单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采
用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80
年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。
大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为积木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和火力发电厂相比，非常灵活。
而对于质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
燃料电池优点- - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - 燃料电池的结构- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - --
燃料电池的发展瓶颈- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - -
燃料电池的发展前景- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - -
一，燃料电池的优点
——效率高。燃料电池发电不经过从热能到机械能再到电能的转换过程，因而没有中间环节的能量损失。能量转化效率高，他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环（卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。即理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2），再从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3），此后，从状态3等温压缩到状态4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环）的限制。现在，火力发电或原子能发电最高效率只不过是40％，而燃料电池的发电效率一般为40％～60％。工作温度高的熔化碳酸盐型和固体电解质型燃料电池，排放的余热还可用于二次发电。利用余热进行电热联供或进行联合发电，燃料电池的综合利用效率可达 70％～80％。
——机动灵活。燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。一个基本单元是两个电极夹一个电解质板。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组，再将电池组集合起来就形成了发电站。可以根据不同的需要灵活地组装出不同规模的燃料电池发电站。燃料电池的基本单元可按设计标准预先进行大规模生产，所以燃料电池电站的建设成本低，建造周期短。另外，由于燃料电池重量轻、体积小、比功率高，移动起来比较容易，所以它特别适合在海岛上或边远地区建造发电站，或建造分散型电站。
——燃料多样。虽然燃料电池的工作物质主要是氢，但它可用的燃料有煤气、甲醇、液化石油气等各种碳氢化合物。根据实际情况，因地制宜地使用不同的燃料，或将不同的燃料进行组合使用，可以达到就地取材、节省资源的目的。
——无污染。燃料电池的生成物主要是水，基本上不排放有害气体，所以它是一种非常清洁的能源。据报道，一些燃料电池的有害气体排放量比美国的国家环保标准规定低两个数量级。另外，燃料电池是静止发电，本身无机械传动装置，只是在控制系统等辅助装置中有运动部件，因而它工作时振动很小，噪音很低。
质子交换膜燃料电池的结构
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是以全氟磺酸型离子交换膜—Nafion（nafion 室友全氟磺酸酯构成的一种优良的阳离子交换剂。在nafion内部，分子憎水剂的畴的链端为亲水性的离子化磺酸基，由于其离子交换作用的是磺酸基，所以他对阳离子有很好的选择性）为电解质、以Pt／C为电催化剂、氢气或重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂、工作温度一般在60~100°C的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种高效、节能、安全可靠的新型环保电池。适用于交通、电站、可移动电源及潜艇等多种用途，具有广阔的市场前景，已引起越来越多国家和企业的重视，都纷纷斥巨资于这一项目，目前已接近
于商业化应用
PEMFC是利用质子交换聚合物作为电解质，将电解质膜压在两电极之间，构成一个单一的膜电极组件。膜电极组件是燃料电池的核心部分，其厚度不到1mm，质子交换膜燃料电池中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应
2H2-4e=4H+
产生的电子经外电路到达阴极，氢离子经电解质膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在
阴极发生反应生成水
O2+4e+4H+=2H2O ,
生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出，目前阻止燃料电池进入市场的主要因素是其成本太高。质子交换膜燃料电池主要由MEA和极板两部分构成，要降低其成本和提高输出功率，除了改进三合一膜电极组件、降低铂含量或选用铂的替代金属外，主要是设法选择合适的极板材料、流场结构、合理的制备工艺，降低电池的内阻，提高电池的性能。机加工石墨流场板的成本占整个电池组成本的60%~70%，因此，降低双极板的成本对于质子交换膜燃料电池的产业化具有重要意义。
它的主要结构
（1），双极板
双极板的两侧分别刻有燃料和氧化剂流场，反应气体通过极板六道进入燃料电池内部进行反映，同时双极板还具有导电功能和阻气作用
质子交换膜燃料电池的双极板具有以下功能和特点：
（1）分隔氧化剂与还原剂。要求双极板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料。如果采用，必须要采取措施堵孔。
（2）有收集电流作用，必须采用电的良导体；极板必须是热的良导体，以保证电池组的温度均匀分布和排热方案的实施。
（3）双极板材料必须能在电池工作条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。
（4）双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道（即所谓的流场），以确保反应气在整个电极各处均匀分布。
（5）双极板材料应质量轻、强度好，并且适于批量加工。
（2），气体扩散层
气体扩散层又可分为扩散层和催化层。扩散层是一种以碳纸或碳布为基底，并涂有输水功能的聚四氟乙稀（聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene，“PTFE”一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料）的多孔结构。扩散层具有如下功能①支撑催化层②导电物质碳为电子提供通道；③由PTFE形成的疏水孔为气体的扩散提供通道；④表面没有PTFE的孔为液体水流动提供通道。催化层时发生电化学反应的地方，它由催化剂Pt/ C和疏水性物质PTFE构成。催化层通常深入质子导体nafion溶液，构成一个电解质、催化剂和反应气体
共存的反应区，从而提高催化剂的利用效率。
（3）电解质膜
电解质膜是氢离子传递的通道，同时水也可以通过在其中传递。制备后的气体扩散电极经热压与PEM相结合，形成膜电极三合一组件（膜电极三合一组件，MEA，Membrane Electrode Assemblies。MEA是燃料电池的质子交换膜 (PEMs)，催化剂和电极的组合。该质子交换膜是夹在两电极之间，催化剂嵌入在他们之间。电极相对质子交换膜是绝缘的。这两个电极分为阳极和阴极。
该质子交换膜是质子渗透膜，它是绝缘的。通过这个绝缘膜运输质子从阳极向阴极，电子则从导电的路径运输到阴极。如杜邦公司(Dupont)，Dow and E-TEK 都在生产质子交换膜PEMs。杜邦公司的PEM商标名称 "Nafion" ，该公司使用的Nafion质子交换膜有Nafion112，115，117，105）
也可以分为，
1，电极组
中间层为高分子质子交换膜，简称交换膜，是固态高分子电解材料，用以传送质子，且须隔阻电子与气体通过；其两边外侧为触媒反应层，阳极与阴极的电化学反应分别在此两层进行，目前以铂／碳或铂／钌／碳粉体为触媒；
2，气体扩散组
触媒层两边外侧是两层扩散层，为经疏水处理以避免水分阻塞的碳纤维，能将反应物扩散至触媒反应层，并将生成物扩散排出；扩散层两边外侧为两层流场板，与扩散层接触面有许多气体导流槽，反应物与生成物即经由这些导流槽进出燃料电池；
3，导电隔离组
于流场板外侧是导电板，负责收集电流，再经由电路传送至负载；最外层有两片压板，用以固定与隔离保护整个电池组。
瓶颈之一——质子交换膜燃料电池的水、热管理
1 水管理的重要性
膜电极( Membrane Electrode Assembly , 简称MEA) 是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,对PEMFC 的输出功率、能量密度分布及工作寿命有着决定性的影响。提高膜电极性能的关键是在催化粒子的周围形成良好的质子、电子和气体通道,因此,膜应有一定的含水量,以保证膜良好的质子传导性,否则膜易脱水、皱缩甚至破裂,严重阻碍质子传导;同时水也不能太多,膜的含水量过多,水就会淹没电极,造成阴极淹没,从而液态水膜会由于O2 极低的溶解度而显著增加传质阻力,同时水会堵塞多孔扩散层中的孔隙,严重阻碍O2 传输,使阴极O2供应不足,浓差极化增大,从而导致电池性能大幅度下降。阴极淹没是引起浓差极化的根本原因。探索电极淹没产生条件,确定其对燃料电池工作性能的影响极其重要。整个通道,阻碍了O2 的传输。因此,保持PEM电池中的水平衡,保证膜的必要的工作条件往往是提高电池性能和寿命的一个关键问题。
2 水的迁移机理
PEMFC 中的水是以气态和液态存在的,这取决于存在点的温度和压力,当水蒸气分压力超过饱和蒸汽压时将转变为液态[6 ] 。水的来源包括:阴极电化学反应生成的水和反应气体带入的水,而阴极水还包括从阳极随质子迁移到阴极的水。反应生成的水一部分以蒸汽或冷凝水的形式由过剩的反应气从阴极气室排走,一部分通过膜传输到阳极或被膜吸收。膜中的水含量主要取决于膜的水平衡,水分子在膜中迁移受四个驱动力的作用。
(1) 电渗力的拖动作用,指的是质子从阳极迁移到阴极时,会携带一部分水分子。
(2) 阴极向阳极的反扩散作用,由于电渗作用,膜的阳极侧的水将减少;由于电渗及水的生成,阴极侧的水将增加,从而阴极侧的膜表面上有更高的水含量。
(3) 燃料气体或氧化剂气体中的水分子向膜中的扩散;
(4) 阴阳两极间的压力梯度造成的水的渗透。
如果向阴阳两极方向运动的水速率相等,膜中水则处于水平衡状态;若不加以控制,就会失去水平衡,造成膜中含水量或多或少,影响电池运行及性能。
3 影响水平衡的主要因素
由上面的水的迁移机理可以看出,凡是影响电渗、扩散、水补给等的因素都将影响水的平衡,即膜的湿度和放电电流密度、反应气的湿化程度、电池工作温度、反应气温度及反应气的流量有着密切的关系。
放电电流密度既影响水的生成量又影响电渗。由电池的工作原理和反应的化学方程式也可以看出,质子交换膜燃料电池的产水量与工作电流呈线性关系,工作电流越大,电池的产水量越大。工作电流和电池的产水量之间有一一对应的关系,并且由Z H Wang 和C Y Wang 的理论推理可以得到液体水出现的临界电流密度。PEMFC 的模拟及其试验分析表明:在电流密度不大的情况下,越过膜的水的净流量很低,膜很容易被加热的反应气吹干,出现干涸现象;随着电流密度的提高,产水量增加,电渗系数减小,电池内阻明显增大,导致电池工作电压急剧下降。
电池工作温度及反应气温度会影响水在气室的饱和蒸汽压,进而影响水的扩散和补给。温度对燃料电池的性能有着重要的影响。
反应气的湿化程度会影响扩散及水补给。试验表明,阳极增湿程度越大,阳极向阴极迁移的水越多,膜阳极侧水的含量越多,电流密度分布越均匀。
反应气的流量也是影响水平衡的主要因素。当大气流量通过时,电极入口处的质子交换膜会被吹干,造成电池的内阻大幅度上升,甚至难以工作。但无论是电流密度、工作温度还是湿化程度对水平衡的影响都不是独立的,而实际工作条件最终决定燃料电池中的水平衡状况。
4 燃料电池水管理方法
在实际工作状态下,随着放电电流的增加,从阴极侧迁向阳极侧的水量总是小于从阳极侧迁向阴极侧的水量,从而导致膜的阳极侧脱水,使膜中水失去平衡。为了建立新的水平衡,必须进行有效的水管理。目前,通常采用调节反应气的湿度,改进电池构造,改进MEA 结构,优化电池内部传质过程,改进流场分布强化传质等,从而实现有效的水管理。
3 热管理
燃料电池中约有40 %～50 %的能量耗散为热能,从而使电池温度升高,电解质膜脱水、收缩甚至破裂,因此,燃料电池中的热管理问题(即能量平衡问题) 也是影响电池性能的关键因素之一。燃料电池中的热量来源有四个,它们是:
(1)由于电池的不可逆性而产生的化学反应热;
(2) 由于欧姆极化而产生的焦耳热;
(3) 加湿气体带入的热量;
(4) 吸收环境辐射热量。
其中,由于电池的不可逆性产生的废热的比例能占到转化的化学能的60 %甚至更多。
为了不使产生的废热造成电池的过热而影响电池的性能及各个电池部件的安全运行和寿命,必须采用有效的散热方式及时地排除这些热量。通常,燃料电池的尾气带走一部分热量,在电池外表面由自然对流带走一部分热量,但这两种方式所带走的热量只占总废热量的一小部分,达不到除热的预期效果。
PEMFC 的排热方法一般是在电堆内部采用表面加工有槽道的冷却板。选用冷却介质时
要考虑很多因素,除了要有良好的传热特性之外,还应具有优良的材料相容性(特别是对燃料电池所使用的密封胶) 和介电特性(防止泄漏后可能对电气性能的破坏) 。水是目前普遍应用的冷却工质。为了进一步提高冷却效果,应用沸点较低的有机介质可能是一种有竞争性的技术。大连化学物理研究所已用乙醇为工质,开展了实验研究并取得了较好的效果。同时,合理的冷却通道排列方式,合理的冷却流体的流动条件和各流道中流量分配的均匀性,也是提高整个燃料电池冷却系统效率的有效途径。由于质子交换膜燃料电池和运行环境间的较小的温差,通常要求用强迫对流冷却,为此需要将冷却剂用泵送到各冷却通道,增加了系统的复杂性和成本,还降低了系统效率。因此,其他的热管理方式也在寻求中。
结论
质子交换膜燃料电池中的水热管理对电池性能有重要影响,并且水管理影响电池的稳定性,热管理影响电池的安全性。因此,进行有效的水热管理是保证燃料电池性能、稳定性和安全性的关键因素。同时,水管理与热管理又是紧密关联互相耦合的,它们为提高PEMFC 的性能和寿命起着关键作用。燃料电池作为航天器中的动力与能源供应系统,它在微重力条件下的水热管理问题也是空间电源技术领域的关键技术问题之一。
质子交换膜燃料电池双极板的材料与制备
如今质子交换膜燃料电池广泛采用的双极板材料是无孔石墨板，正在开发表面改性的金属板和复合型双极板。双极板的流场设计主要有两类，一是加拿大巴拉德动力公司发展的多通道蛇形流场；二是目前各国为降低电池成本，减化生产工艺，正在开发的由网状物或多孔体构成的混合流场。本文综述了金属板、石墨板及复合流场板的材料及制法，金属板的表面改性，石墨板的透气性等，为双极板的研究提供参考
1，机加工碳（石墨）板
无孔石墨板一般由碳粉或石墨粉与可石墨化的树脂制备。石墨化的温度通常高于(2500℃)石墨化须要按照严格的升温程序进行，而且时间很长，这一制造过程导致无孔石墨板价格高昂。最初采用高温烧结的碳板遇到的主要问题是氢气的渗透问题，为了解决这个问题，除了鳞片状石墨薄片外，其他材料几乎都研究过，在真空条件下注入一种低粘度的环氧树脂以减少气体的渗透率。在石墨板上机械加工的流场也是费工时而高价格的，约占整个燃料电池费用的60%~70%，而且带来很多问题，特别是在高度研磨的天然碳粉里加入加强纤维后，传统的机加工已不能实用，因而有人采用了激光切削、电脑刻绘、模压等方法，流场图案基本上15min可以完成，大大提高了流场的制备速度，降低了成本。厚度约为3mm，电极与流场板直接接触，其密封结构是在碳纸上模压成沟槽放入垫圈密封即线密封，这是由于碳板的强度差，必须要降低组装力的缘故。
2，注塑的石墨板或碳板
为降低石墨双极板的制备成本，目前主要采用石墨粉或碳粉与树脂（酚醛树脂，环氧树脂等）、导电胶等粘接剂相混合，采用注塑、浆注等方法来制备双极板，有的还在混合物中加入金属粉末、细金属网以增加其导电性，有的在混合物中加入碳纤维、陶瓷纤维以增加其强度，不同之处在于石墨粉与树脂的含量、处理的温度、板的结构等方面。
3，金属板
用金属材料作双极板，易于批量生产，金属双极板通过机械加工的方法，可以加工成各种流场，也有采用冲压的方法来加工流场。世界各国主要采用铝板、黄铜、铝合金板、钛板及不锈钢板等。其厚度约为3~5mm，加工量大，费用高且体积大、质量重。密封结构采用橡皮或四氟材料等来密封，匹配材料采用金属网、石墨油毡、金属泡沫等，此种方法仅限于实验研究。
燃料电池的发展前景
燃料电池的发展前景
燃料电池发电装置每发电1000kw/h排出污染物<1盎司，而常规燃烧装置为25磅。
据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。
预计到2010年左右，燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时，美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额，日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4.5%和3.7%，到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。表1列出美国新一代运输用汽车市场价值。
均增长率为84%，2007年将达到4760万美元。大多数汽车制造商都看好质子交换膜（PEM）燃料电池汽车技术，另外，固体氧化物燃料电池在辅助动力应用中也可望起重要作用。车载燃料电池组件市场现为12000万美元，但今后5年内，预计年均增长率为91%。
据PricewaterhiuseCoopers（PwC）公司估计，全球燃料电池市场到2011年将达到350亿美元。另据ABI公司的保守估计，到2013年全球燃料电池市场将达380亿美元。据SRI咨询公司预测，2008年燃料电池市场约50亿美元，到2013年预计市场价值将达456亿美元。静止式燃料电池市场将从2008年20亿美元增大到2013年100亿美元，便携式燃料电池2013年市场将达250亿美元，汽车燃料电池市场将从2008年6亿美元增大到2013年100亿美元。
5.1PEMFC在便携式电源方面的应用发展
PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力电源。
根据各国的社会、工业环境以及能源供需的不同，每个国家质子交换膜燃料电池在电动车的发展方向是不同的，美国和日本主要研究集中在燃料电池轿车方向，欧洲主要研究燃料电池公共汽车，中国的燃料电池脚踏车和轻型燃料电池轿车有很大前景。其中影响最大的开发项目有两个：一个是由美国DOE组织的国家PEMFC研究机构，一个是以加拿大Ballard动力公司的技术为支持、由奔驰、福特等公司支持的PEMFC电动汽车项目。
在2003年，Folkesson et al.通过欧洲清洁城市运输计划(CUTE)完成了混合燃料电池城市公共汽车的评估，这个计划的目标是设计并建立混合燃料电池公共汽车示范车，它由欧洲无核能源规划和一些企业及院校联合提供资金支持。目前，丰田汽车公司宣布投资8亿美元开发非石油燃料发动机，即氢燃料电池汽车。
Green car是美国Energy Partners公司在DOE的支持下于1993年开发出的世界上第一辆PEMFC驱动的“绿色汽车”，该车的功率为15kW，0～30m/h的加速时间为10s,最高时速达60m/h，一次充氢行驶里程为96km。
2004年，Hwang et a1.发布了PEMFC电动脚踏车示范车的测试结果，研究脚踏车的动机是因为在中国每日上下班普遍骑助力脚踏车。燃料电池系统由燃料电池堆栈、金属氢化物容器、空气泵、电磁阀门、冷却风扇、压力和温度传感器和微处理器组成。电堆由40片单电池组成，其额定功率和最大功率分别为303W(0.7V)和378W(0.66V)。电堆不仅驱动脚踏车的电动马达还为其它子系统提供能量。在此结果的基础上，他们开始研发两座位的轻型燃料电池车，尽管成功完成了示范车，但还没能解决一些经济和技术问题。
国内燃料电池的研发起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而发展很慢，直到90年代才开始加快发展。目前燃料电池动力系统发展趋势很好，已具有从过去单电堆研究发展到带有支持系统和控制系统的燃料电池发动机系统的研发能力。国内燃料电池汽车领域已经取得了较大的进展，其中首台50kW燃料电池城市客车发动机已经研制成功，首台四轮驱动燃料电池轿车也在2002年12月初举行的上海工业博览会上亮相，但距真正的实际运用还有一段距离。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划,在2009年2月财政部公布的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》中,曾明确对购买燃料电池汽车每辆可补贴25万元。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。
2PEMFC 在固定式电源方面的应用发展
PEMFC 除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可与电网系统互联，用于调峰也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防（人防）发供电系统电源。采用多台PEMFC 发电机联网还可构成分散式供电系统。分散式供电系统有很多优点：
１）可省去电网线路及配电调度控制系统。
２）有利于热电联供（由于PEMFC 电站无噪声，可就近安装，PEMFC 发电所产生的热可进入供热系统），可使燃料总利用率高达80%以上。
３）战争和自然灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要。
４）通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC 提供燃料，通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于边远地区、人所），使系统建设成本和运行成本降低。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。
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2009年年底已悄悄启用，项目投资1850万元，占地仅2000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6000～10000千瓦燃料电池发电厂，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。
3PEMFC在军事方面的应用发展
随着现代科学技术的迅速发展及其在军事领域的广泛应用，以数字化技术为核心的新兴信息技术将渗透到战场的各个领域，从侦察、监视到预警，从通信、指挥到控制，从武器装备的自动化、精确制导和智能化到各种电子战手段，信息技术装备已经成为覆盖整个战场的、决定战争胜负的重要因素，它不仅构成总体作战的“神经系统”，而且成为总体作战能力的“倍增器”。电源作为信息技术装备的命脉，能否连续、可靠、安全、灵活地供电是至关重要的，它是信息技术装备密不可分的一部分。由于PEMFC 发电机的诸多优越性能，国外将PEMFC应用于陆地军事设备研究主要有三个方向：单兵作战动力电源（<100 W）、移动电站（100W-500W）和军车动力驱动电源（500W-10kW）[3]；海军军事设备上应用分为海面舰艇辅助动力源、水下无人驾驶机器人电源和潜艇的驱动电源；空中军事应用主要用于航空航天、无人驾驶飞机。
6结论
PEMFC虽然已经做了大量的研究工作并取得一定的成绩，但许多方面还需要深入开发。氢气制备、储存和运输技术、电堆系统优化和控制技术方面需要进一步完善；水热管理、从单电池到堆栈参数的测量、流场设计、燃料处理、阳极铂的CO中毒、MEA结构和阴极的极化等问题也需要提高；在小型化技术上，燃料电池的体积问题也有待突破；燃料电池的成本太高和燃料的供应是目前最急需克服的难题。虽然燃料电池汽车全面商业化还存在许多方面的挑战，但PEMFC作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注。国际能源界预测，燃料电池时21世纪最有吸引力的发电方法之一。目前，电网由主要缺电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，燃料电池的研究和开发具有重要的意义，这种发电方式和传统的大型机组、大电网相结合必将带来巨大的经济效益。随着PEMFC的技术不断提高和成本逐步降低，燃料电池将逐步获得应用，在市场上将具有很大的应用前景。
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ＰEMFＣ的水、热管理问题 水、热管理是ＰＥＭFC 发电系统的重要环节之一。 水管理 电堆运行时,质子交换膜需要保持一定的湿度,反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响,这就产生了PEMFＣ发电系统的水、热管理问题。通常情况下,电堆均需使用复杂的纯水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜,以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降,甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出,以防电极“淹死”。由于PE ＭFC的运行温度一般在8０℃左右,此时PEMFC 的运行效能最好,因此反应气体进入电堆前需要预加热,这一过程通常与气体的加湿过程同时进行;电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高,必须采取适当的冷却措施，以保持PEMFC电堆工作温度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节，并用计算机进行协调控制。 热管理 冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理PEMＦC发电机运行产生的热量，保障电站环境不超温。将PＥMFC发电站的余热进行再利用，如用于工程除湿、空调、采暖或洗消等,实现电热联产联供,可大大提高燃料利用效率,具有极好的发展与应用前景。 为了确保PEMFC电堆的正常工作，通常将电堆、H2和O２处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成,构成PEMFC发电机。根据不同负载和环境条件，配置H2和O2存储系统、余热处理系统和电力变换系统,并进行机电一体化集成就可构成PＥMFC发电站。 PEＭFC的存储装置 通常,PEＭFＣ发电站由PEMFＣ发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站自动控制系统构成。 氢气存储装置为发电机提供氢气,其储量按负荷所需发电量确定。氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有多种,主要按电站所处环境条件及技术经济指标来决定。氢气存储是建设PＥＭFC发电站的关键问题之一，储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。空气供应保障系统对地面开放空间的PEＭFC应用(如ＰEMFC电动车)不成问题,但对地下工程或封闭空间的应用来说却是一个十分重要的问题,如何设置进气通道必须进行严格的论证。氢气安全监控与排放装置是氢能发电站的一个特有问题，由于氢气是最轻的易燃易爆气体，氢气储存装置、输送管道、阀门管件、PEMFC电堆以及电堆运行的定时排空都可能引起氢气泄漏，为防止电站空间集聚氢气的浓度超过爆炸极限，必须实时检测、报警并进行排放消除处理。氢气安全监控与排放消除装置由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成，传感器
燃料电池质子交换膜研究现 状和发展趋势 本页仅作为文档页封面，使用时可以删除 This document is for reference only-rar21year.March
膜材料科学与技术 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C 专业：新能源材料与器件
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng (Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend of proton exchange membranes are provided. Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer
膜材料科学与技术 令狐采学 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C61114012 专业：新能源材料与器件 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥 230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy technology.Ion exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting protons.In this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend ofproton exchange membranes are provided. Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer 1燃料电池质子交换膜及其工作原理 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应方式直接转换成电能的高效电装置,其能量转换率高,是一种环境友好的新型能源。 燃料电池的种类很多,质子交换膜燃料电池是其中的一种,其最大的优点在于它能在室温附近工作,而且电池启动快,能量转换率高,它不仅可以替代普通的二次电池,而且可以作为汽车的动力源,从而大大减少环境污染。质子交换膜在燃料电池中所
质子交换膜燃料电池 学院：材料科学与工程学院 班级： 13应用物理 组员：方毅、罗烈升 学号：0120；0121 指导老师：孙良良（博士） 时间： 2016年5月28日
目录PEMFC的结构 (3) PEMCD的工作原理 (3) 质子交换膜 (4) PEMC的优点 (4) PEMFC的应用前景 (5) PEMFC的发展概况 (6)
PEMFC的结构 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化 的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有 加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为 电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电 源负极，阴极为电源正极。如图1 PEMFC的工作原理 图1 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图2。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。 其工作原理如下： 1）氢气通过管道或导气板到达阳极。 2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢 质子，并释放出2个电子，阳极反应为： 2H 2 -4e-=4H+ Eθ= 0. 000 V。 3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气 板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过 外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为： O 2+4H++4e-=2H 2 O Eθ= 1. 234 V 总的化学反应为：图2 1/2 O 2+ H 2 =H 2 O Eθ cell = 1. 234 V 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供
第4卷 第3期1998年8月 电化学 EL ECT ROCHEM IST RY V ol.4 No.3 Aug.1998质子交换膜燃料电池的研究 葛善海** 衣宝廉* 徐洪峰 韩 明 邵志刚 (中国科学院大连化学物理研究所 大连116023) 摘要 通过测定电压~电流密度曲线等方法研究质子交换膜燃料电池的电极参数,构造了 E cell=0.7V,I=0.55A/cm2并能够稳定运行的燃料电池.改进电池的电极结构,研究了各种操作 条件如温度、压力、增湿情况、尾气流量等对电池性能的影响. 关键词 质子交换膜,燃料电池,电极 质子交换膜燃料电池(PCMFC)是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)而发展起来的第五代燃料电池.PEM FC的电极为多孔气体扩散电极,以纯铂或碳载铂作电催化剂,电解质为全氟磺酸型固体聚合物,氢气为燃料,氧气或空气为氧化剂.由于PEMFC可以低温起动,无电解质腐蚀问题,对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度[1],PEM FC最有希望成为电动汽车的动力源[2],从本世纪八十年代起,包括美国、加拿大、日本等许多发达国家竞相开展PEM FC的研究工作[3~8].本文简介了我们的PEMFC研究结果. 1 实 验 1.1 电池的组装 质子交换膜燃料电池的结构如图1所示,膜、电极三合一组件的两侧各放一张或数张经憎水化处理的拉伸钛网或镍网,网的作用是搜集电流.垫片为聚四氟乙烯垫片或橡胶垫片,两块极板为不锈钢板. 1.2 工艺流程 质子交换膜燃料电池工作的工艺流程如图2所示:氢气和氧气经减压后进入各自的增湿器增湿后进入电池,电化学反应产物水随着尾气排出电池,尾气经冷却气水分离后排空,水经搜集后排放,电池和两个增湿器的温度分别由温度自动控制器控制,外电路系统接可变电阻器以控制电流输出.作电池的循环伏安实验时,外电路系统可与微机连接,微机将自动记录电池的循环伏安曲线,微机同样可以记录在稳定电流下,电池电压变化情况. 2 实验结果与讨论 本文1997 07 21收到,1997 09 30收到修改稿 * 通讯联系人; **现在大连理工大学化工学院
质子交换膜燃料电池 交通092 沈明存 200902120526 摘要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。PEMFC作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着PEMFC的技术不断提高和成本逐步降低，燃料电池在市场上将逐步获得应用。 关键词：质子交换膜燃料电池，PEMFC，分散电站 质子交换膜燃料电池的结构 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极 质子交换膜燃料电池工作原理 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图2。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。
其工作原理如下： 1）氢气通过管道或导气板到达阳极。 2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为： H2→2H++2e。 3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或 导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2 O2+2H++2e→H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。 燃料电池的优点 1）高效转化——它不通过热机过程，不受卡诺循 环的限制，通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为 电能，其能量转化效率在40～60% ；如果实现热电联 供，燃料的总利用率可高达 80% 以上； 2）启动迅速——低温快速启动，化学反应迅速， 适应负载变化；
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膜材料科学与技术 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C 专业：新能源材料与器件
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng (Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds
质子交换膜燃料电池的基本结构（一） 如图1所示，质子交换膜燃料电池的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。催化剂构成电极，在其之上直接为扩散层。电解质、催化剂层和气体扩散层的组合被称为膜片-电极组件。 ①质子交换膜质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180 um的薄膜片，其微观结构非常复杂。它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只容许氢离子（氢质子）透过，而不容许氢分子及其他离子透过。 (a) PEMFC的基本结构 (b)质子交换膜燃料电池组的外观 图1 质子交换膜燃料电池的基本结构 质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率，还要有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，并同时具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合的性能。 质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响，对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有：膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能（电阻率、面电阻，电导率）和选择通过性能（透过性参数P）上。 a．膜的厚度和单位面积质量。膜的厚度和单位面积质量越低，膜的电阻越小，电池的
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⑴，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
质子交换膜燃料电池的应用与发展 林圣享学号：405932016118 动力工程及工程热物理2016级研究生 （南昌大学机电工程学院，南昌330031） 摘要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着质子交换膜燃料电池技术的不断提高和成本的逐步降低，其在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，对比了各种燃料电池基本属性，阐述了燃料电池当前发展的状态, 探究了其较高的利用效率又不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的形势下，进一步明确了质子交换膜燃料电池发展的广阔前景，其作为能源利用的一次变革，必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨大推动作用。 关键词：质子交换膜；燃料电池；利用效率 Application and Development of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Abstract：A fuel cell is a device that converts chemical energy directly into electrical energy by chemical reactions. Proton exchange membrane fuel cell as a new generation of power generation technology, with its unique high efficiency and environmental protection has aroused the concern of the world, great development and use value. With the proton exchange membrane fuel cell technology continues to improve and gradually reduce the cost of its market will gradually gain application. This paper analyzes the structure and working principle of proton exchange membrane fuel cell, compares the basic properties of various fuel cells, expounds the current development of fuel cell, explores its high efficiency and does not pollute the environment. The current energy shortage and serious environmental pollution situation, to further clarify the proton exchange membrane fuel cell development prospects, as a change in energy use, will be in the aerospace, transportation and defense and other fields play a huge role in promoting. Key words：proton exchange membrane；fuel cell；utilization efficiency 引言 燃料电池（Fuel Cell）是一种高效、环境友好的新能源发电装置，能将燃料的化学能通 过电化学反应直接转化为电能。在工作原理和方式上，燃料电池与普通电池存在差别：燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是电催化和集流的转换元件，也是电化学反应的场 所。燃料电池是开放体系，活性物质储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就能连 续发电，因而容量很大。同时，燃料电池还是一个复杂的系统，一般由燃料和氧化剂供应系统、水热管理系统以及控制系统等多个子系统组成。而普通电池是简单的封闭体系，放电容 量有限，活性物质一旦消耗光，电池寿命即告终止，或者必须充电后才能再次使用[1]。 燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置[2]。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能"储电"而是一个" 发电厂"，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好
质子交换膜燃料电池生产制造项目 可行性研究报告 规划设计 / 投资分析
摘要 质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化 的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催 化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子 则从导线通过。质子交换膜燃料电池下游应用领域主要分为三大块，首先 是便携式电源领域，这一领域由于对质子交换膜燃料电池的使用量相对较少，因此整体占比较小，约为4.2%；其次是固定式发电领域，这一领域是 质子交换膜燃料电池的主要应用领域，应用规模较大，在整体的需求中占 比较大，约为78.8%；再次是交通运输领域，近年来，随着新能源汽车等的不断发展，质子交换膜燃料电池在交通运输领域的应用越来越多，占比也 在逐渐增加2017年的占比约为17.0%。 该质子交换膜燃料电池项目计划总投资15362.48万元，其中：固定资 产投资12830.24万元，占项目总投资的83.52%；流动资金2532.24万元，占项目总投资的16.48%。 达产年营业收入17310.00万元，总成本费用13737.69万元，税金及 附加240.55万元，利润总额3572.31万元，利税总额4305.59万元，税后 净利润2679.23万元，达产年纳税总额1626.36万元；达产年投资利润率23.25%，投资利税率28.03%，投资回报率17.44%，全部投资回收期7.23年，提供就业职位290个。
努力做到合理布局的原则：力求做到功能分区明确、生产流程顺畅、交通组织合理，环境保护良好，空间处理协调，厂容厂貌整洁，有利于生产管理和工程分区建设。 基本情况、背景和必要性研究、项目市场调研、产品规划方案、选址分析、项目工程设计说明、项目工艺及设备分析、环境保护可行性、安全规范管理、风险应对说明、节能方案、项目实施计划、项目投资可行性分析、项目经营收益分析、评价及建议等。
膜材料科学与技术 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C61114012 专业：新能源材料与器件
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng (Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy technology.Ion exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting protons.In this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend of proton exchange membranes are provided. Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer
实验五质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试 1.【实验目的】 本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Protonexchangemembranefuel cell，PEMFC）关键组件膜电极(Membraneelectrodeassembly,MEA)的制备和单电池组装及 实际演示一体化（all-in-one）燃料电池发电系统，使学生全面了解燃料电池的基本原理和制 作过程及使用方法。 2.【实验原理】 燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转变为低压直流电的装置，即通过燃料和 氧化剂发生电化学反应产生直流电和水。燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置。 在电解水过程中，外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化 学反应生成水，并释放出电能。燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质 （质子交换膜）和外电路。图1为组成燃料电池的基本单元的示意图。阳极为氢电极，阴极 为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂（目的是用来加速电极上发生的电化学反 应），两极之间是电解质。
图1燃料电池工作原理图。图中Anode为阳极，Cathode为阴极，BipolarPlate为双极板， CL为催化剂层，PEM为质子交换膜。 工作原理为：氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化，释放出电子，如反应（1）所示。氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧气（或 空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。在阴极侧，氧气与 28
氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水，如反应（2）所示。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，可以向负载输出电能。燃料电池总的化学反应如式（3）所示。 阳极半反应：H2→2H++2e-E o=0.00V(1) 阴极半反应：1/2O2+2H++2e-→H2O E o=1.23V(2) 电池总反应：H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)E ocell=1.23V(3) 燃料电池的膜电极如图2所示。由碳纸（气体扩散层）、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和碳纸（气体扩散层）构成。其中碳纸作为气体扩散层支撑体起收集电流的作用。因为碳纸上的孔隙率比较大，一般在碳纸表面制备一层中间层来整平（在本实验中省略）。催化层的涂布分两种情况，一种是将催化剂涂覆在碳纸的中间层表面，另一种是直接将催化剂涂覆在膜的两侧。催化剂一般是2－5纳米的Pt颗粒负载在30纳米左右的碳粉上，与溶剂和Nafion等均匀混合配置成浆料，使用时直接涂覆。 图2燃料电池膜电极结构。图中GDL是气体扩散层，CL是催化剂层，M是质子交换 膜。 燃料电池阳极和阴极之间由质子交换膜（如杜邦公司的Nafion膜）隔开。最常用的Nafion 212、Nafion115和Nafion117等型号的膜外观为无色透明，平均分子量大概为105～106。由分子结构可看出，Nafion膜是一种不交联的高分子聚合物，在微观上可以分成两部分：一部分是离子基团群，含有大量的磺酸基团，它既能提供游离的质子，又能吸引水分子；另一部分是憎水骨架，与聚四氟乙烯类似，具有良好的化学稳定性和热稳定性。Nafion系列膜具有体型网络结构，其中有很多微孔(孔径约10-9m)。人们普遍用“离子簇网络结构模型”来描述这种结构，把它分为三个区域：（1）憎水的碳氟主链区，（2）由水分子、固定离子、相对离 子和部分碳氟高聚物侧链所组成的“离子簇区”，3）前两个区域相间的过渡区。膜中的-SO3H 是一种亲水性的阳离子交换基团，当阴极反应时，-SO3H中离解出H+会参与结合生成水，同时放热。H+离去后，-SO3-会因静电吸引邻近的H+填充空位，同时还有电势差的驱动，使H+在膜内由阳极向阴极移动。在有水存在的条件下，-SO3H上的H+与H2O形成H3O+，从而削弱了-SO3-与H+间的引力，有利于H+的移动。由于膜的持水性，在H+摆脱-SO3-后，进行 29 （
质子交换膜燃料电池的工作原理 能源、信息、材料是現代社会发播的三大支柱?其申能源在社会发展、心日常生活中的作用日益聶苦.能源既是社会发展的物质基础.又是提高人类科技" 促进科学发展的技术保障。毎一种潮能源的开发与利用，都会给生产力疑展和人类进步带来巨大的变革.在21低配’人类利用的能源屯要还悬煤、石汕和天熬气等化石燃料，由F这些资澹有限*并且柱:燃烧过程中来披狂分利用*不但滾费了其中包含的化学能，也对人类社会朝少相处的环境造成了严重的环境河染?面对人们对能源的碍求就趙来越大的潍题”加快研究能源的步伐*开发化石燃料的替代航前较为累迫的一项任务.走能源与环境和经疥厦展良性循坏的路子，是解决能源与坏境问题的棍本出 燃料电池以能最转比效率高，环境友好“孝排放黑显薯优去日益嗫到人们的关卓并冃己经成为淸洁、可持续发电能源的前沿蝕域.廳料电池是将储存在燃料中的化学能通过电极反应使之与轨化剂发主交互作用’转变成电能的高效、环保型能虽输出装逍，是绻火力发电*水力发电和核能发电后的新能源系统.英工柞方式蹩电池正常工柞时，蛉界粽源不断的向电池中送入反应的燃料气体和氧化剂. 反应产物和热量蔽及时排除掉.珂此遠神电池不会像晋通电池那样会被耗尽.质子膜燃料电油是第五代燃料电池(其他四类是碱性燃料电紐，磷醴燃料电池.熔融磁酸盐燃料电池和hM体氧化物燃料电池人幫用就气柞燃料，空气或者是纯枫气柞氧化剂.通过氮氧发生化合反应.貢接梅氮气中的化学能转换屈可以利用的电能「井生成对环境无污染的纯押水.其特点是； (0能最装换率高“高效可靠 首先燃料电池中轼气和氧气或者空气反应不是蛭过燃烧过程而是电牝学过麻，所以 菇能命转换效率不受卡诺祈坏的控制.实际应用中，考虑侬差扱化、电化学极化曙的限帝 山以及残存预熱不被利用的情形.FI就的燃料电池的实际电醞转换效率在4昭60%Z间.大 约是内燃机的两倍。由于?EMF€电池堆采用模块
质子交换膜燃料电池的应用 摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，能很好应用在军事设备上。国外对PEMFC用于陆地军事设备研究主要有三个方向：单兵作战动力电源（<100W）、移动电站（100W-500W）和军车动力驱动电源（500W-10kW）；海军军事设备上应用分为海面舰艇辅助动力源、水下无人驾驶机器人电源和潜艇的驱动电源；空中军事应用主要用于无人驾驶飞机。最后认为随着PEMFC技术发展完善能广泛用于军事系统或装备。 质子交换膜燃料电池是一种直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置[1]。电池单体由双极板、扩散层、催化层和质子交换膜组成，如图1所示。电池工作过程实际是电解水的逆过程。氢气由阳极极板流场通道进入扩散层，再通过扩散层到达阳极催化层。 在阳极催化剂作用下H2在阳极催化层中解离为H+和带负电的电子。 阳极：2H2→4H++4e- 阳极催化层反应生成的H+穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。氧气由阴极极板通道进入扩散层，再通过扩散层到达阴极催化层。在阴极催化剂作用下阴极氧离子和与阳极催化层（10-30μm）阴极催化层（10-30μm）通过PEM到达阴极的H+以及电子反应生成水。 阴极：O2+4H++4e-→2H2O 总的电池反应为: O2+2H2→2H2O 质子交换膜燃料电池具有以下优点[2]：1）高能量转化效率，通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制；2）低温快速启动，化学反应迅速，适应负载变化；3）低热辐射和低排放，运行温度低于100℃，排放物是纯净水，几乎没有氮和硫的氧化物；4）运行噪声低，可靠性高。燃料电池电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动；5）适应不同功率要求，燃料电池发电装置由多个单电池可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组，根据需要的功率大小，来选择组装的层数。正是由于质子交换膜燃料电池有这么多的优点，它可以广泛用于军事领域。 1 PEMFC在陆军军事装备应用 国外军方开展燃料电池在军事上研究比较早。燃料电池在陆军事装备中的应用主要有三方面：一是作为单兵作战动力电源（<100W）；二是作为移动电站（100W-500W）；三是作为地面军用动力驱动电源（500W-10kW）[3]。
质子交换膜燃料电池概述 【摘要】介绍了燃料电池的发展、工作原理和特点，叙述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的国内外研究进展和应用现状，分析了燃料电池存在的问题，总结了燃料电池发电技术在新能源和电力行业中的应用现状，并对质子交换膜燃料电池的发展前景进行了展望。 【关键词】质子交换膜；燃料电池；综述 1.前言 国外能源机构预测随着石油、煤炭等自然资源的日趋枯竭，21世纪将成为氢能的时代。燃料电池是一种不经过燃烧而通过电化学反应直接把燃料中的化学能转化为电能的装置。与传统的火力发电相比，最大的优点是不受热机卡诺循环的限制，CO、CO2、Sv2、NOX及未燃尽的有害物质排放量极低。能量转化率高，一般在45%左右，火力发电仅为30%左右，如果在技术上加以完善或综合利用其效率可望达到60%以上。PEM燃料电池是继磷酸盐燃料电池后的第二代燃料电池。由于采用全氟磺酸膜为电解质，以纯氢或净化重整气为燃料，因此具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄露等优点，也因此被认为是继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四大能量转化发电方式，它将在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面具有广阔的应用前景。 2.PEM燃料电池的发展 20世纪60年达初，美国首次将PEM燃料电池用于“双子星座”Gemini飞船飞行。当时，由于电解质膜稳定性差、电池堆寿命短、贵金属Pt用量太高，致使PEM燃料电池在空间的应用搁置了近20年。 20世纪80年代，加拿大电力公司在政府的支持下开展研究，使PEM燃料电池的性能价格比大大提高。此后，以美国、加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展PEM燃料电池的研究开发工作，使得PEM技术日趋成熟。这期间的研究主要集中在基础性研究和实用性产品的开发。近五年来，由于可望成为未来理想的移动电源，尤其适合作为清洁汽车动力，世界各大汽车公司纷纷联合开发车用PEM燃料电池，例如德国的戴姆莱克莱斯勒公司、美国的福特公司和加拿大的巴拉德公司组成联盟投资10亿加元成立分别控股的巴拉德动力公司DBB公司和依考斯达公司，分别负责开发燃料电池电动车用燃料电池组电池系统与电推进系统。另外，由于军用潜艇和军用移动电源隐蔽性的需要，各发达国家国防部门及军方均加紧高性能PEM燃料电池技术的研究。 国内PEM燃料电池的研究热潮兴起于20世纪90年代，当时主要有中国科学院长春应用化学研究所和中国科学院大连化学物理研究所，他们着重于PEM 燃料电池的高分子膜、催化剂制备等基础研究。随着PEM燃料电池的不断发展和广阔的应用前景，除了清华大学、同济大学等院校单位外，以北京富源、上海
质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。 两电极的反应 分别为： 阳极(负极)：2H2-4e=4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O 注意所有的电子e都省略了负号上标。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，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。 电堆构成 电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。 电堆核心 电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。 优点 质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺