质子交换膜燃料电池的工作原理
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
化的设计思路，一旦某个单电池岀现故障，系统会适当屏蔽该电池*这样系统的输出必率只
捷下降，而不昆頼个擁顼.因而可靠性能更高.
（2）坏境污染小、噪音低
由于反应产物是纯挣水，対环境绝对无污染，并R反应足电化学过程，因而主机无需大型机械部件，只需叢风机s水泵镐辅助输送％休设备。因此噪音低。
<3）燃料％体氢％来源广
工业0E*U煤和水作用.裂优石油叫（柴油、汽油、二甲凝人电解水都可以得到氢气，北外F生物发酵也能产生’阂而制造氢丸的来渭相当广泛。除了咼些待点外质子膜交换燃料旳池还有丁作电流密度大.启动温度低和组装、维修方便導特戊區子膜燃料电池是已境发展的燃料电池中发般规榄最大吋一种，随者环境污染的加巫.人怕对梢话能源的低用日益車观”PEMFC的重翌性FI益显现.在交通运愉业.质子膜燃料交换地池成为未来电动车的动力装置的可能性爺大?在电力供给和航天发动机上也成为堆有希望的智代看?
L2质子交换膜燃料电池的工件原理
质子交换膜燃料电池（PEMFC）其电解质是一种全氟磺酸型寓子交换蹴它-般采用Pt/C 作为为氢气或净化更整气，氧化剂为空气或氧气■工作温度一般莅60~g（TCZ剧叫壘基本的PEMFC由三部分构成:膜电极组件、取扳板、集流札牍电极组件傲赳括阴极气体扩做忌阳极％体扩散层?阴极催化剂*阳极催化剂和质了交换熱质子交换膜只允许魇了谴过而不允许电子適也
图U示出PEMFC的工作原理示意图*盾子交挟膜燃料电池的电扱反应与其它酸性电解质燃料电池的电极反应类似.盯英阳极中可燃性气体氯气在催化剂作用下发生屯极反应［叫
岛—肝+ 2c
此时产生的电子经外电路到达阴极「而带正电的氮离子是经过电解质膜到达的阴极。氧
离子、氧气以及电子评阴极发生反应生成水.并释放能最。
■■
l/2O2+ 2才4 2匕—岛0
点的化学反应如卜I
质子交换膜燃料电池-水热管理
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
高温质子交换膜
PEM：质子交换膜PEFMC：质子交换膜燃料电池 PBI：聚苯并咪唑 mPBI：聚[2,2’-(间苯基-5,5’)-联苯并咪唑] ABPBI：聚2,5一苯并咪吟ABPBI DABA：3,4一二氨基苯甲酸SOPBI：磺化聚苯并咪唑 第一章引言 燃料电池与传统能源利用方式相比具有以下特点与优势：(1)能量转化效率高。(2)比能量或比功率高。(3)清洁、安静、污染小。(4)可靠性高。(5)适用性强。 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池((PEMFC)是以一种聚合物膜即质子交换膜(PEM)作为固体电解质的燃料电池，在膜的两侧是电极(阴，阳极)。电极又可分为气体扩散层和催化剂层。工作时，纯氢通过气体扩散层进入催化剂层，H:在阳极失去电子变成H+, H+经质子交换膜到达阴极，与电子及O:结合生成水，完成导电过程。质子交换膜燃料电池，不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高，工作温度低，启动快，膜的耐腐蚀性强，使用寿命一长等优点。近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为了一种备受关注的清洁能源工艺。质子交换膜燃料电池具备方便
易携带，自动产生能量，效率高等优点。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的关键部件。质子交换膜能够使质子从电池阳极转移到阴极。氢在催化作用下在阳极被氧化生成质子，质子从阳级转移到阴极，在阴极和氧反应生成水并放出热。质子交换膜位于两个电极之间。质子交换膜须具备以下特性:易装卸;排列紧密;可以大批量生产;对于气体渗透反应具有很大的耐受性。 Nation膜是典型的在低温使用的质子交换膜。Nation膜具有多相结构:疏水相作为连续相，磺酸基团作为亲水基团。连续的疏水相作为膜的结构支撑，亲水相可以储存一定量的水。水在质子传导中起着至关重要的作用，促进质子从磺酸基分离，提供了大量的动态水合质子，来保持Nation膜的理想性能。为了保持膜的水合状态，反应气 体都必须具备一定的湿度。 应用Nafion.膜或其它全氟磺酸膜的质子交换膜燃料电池有两个主要的局限。一是价格昂贵，另一个是在使用过程中必须保持充分的湿度来维持较高的质子传导率。为了保持高质子传导率，燃料气体(H2或空气)必须充分地进行水合。因此，湿度控制变得尤为重要，既要保持膜中含有充足的水份同时也要保证电极里的水不能太多。这同时 也限制了工作温度必须低于100 0C，因为在100℃以上运行膜会严重脱水导致膜的导电性能迅速衰退。在自增湿膜方面的研究亦需要用纳
高温质子交换膜
PEM质子交换膜 PEFMC :质子交换膜燃料电池 PBI :聚苯并咪唑 mPBI :聚［2,2 '-(间苯基-5,5 ')-联苯并咪唑］ ABPB：聚2,5 一苯并咪吟 ABPBI DABA : 3,4 一二氨基苯甲酸 SOPBI 磺化聚苯并咪唑 第一章引言燃料电池与传统能源利用方式相比具有以下特点与优势：(1) 能量转化效率高。(2) 比能量或比功率高。(3) 清洁、安静、污染小。(4) 可靠性高。 (5) 适用性强。 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池((PEMFC是以一种聚合物膜即质子交换膜(PEM作为固体电解质的燃料电池，在膜的两侧是电极(阴，阳极)。电极又可分为气体扩散层和催化剂层。工作时，纯氢通过气体扩散层进入催化剂层，H:在阳极失去电子变成H+, H+经质子交换膜到达阴极，与电子及0:结合生成水，完成导电过程。质子交换膜燃料电池，不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高，工作温度低，启动快，膜的耐腐蚀性强，使用寿命一长等优点。近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC) 成为了一种备受关注的清洁能源工艺。质子交换膜燃料电池具备方便易携带，自动产生能量，效率高等优点。质子交换膜(PEM是质子交 换膜燃料电池的关键部件。质子交换膜能够使质子从电池阳极转移到阴极。氢在催化作用下在阳极被氧化生成质子，质子从阳级转移到阴极，在阴极和氧反应生成水并放出热。质子交换膜位于两个电极之间。质子交换膜须
具备以下特性：易装卸；排列紧密；可以大批量生产；对于气体渗透反应具有很大的耐受性。 Natio门_膜是典型的在低温使用的质子交换膜_。Nation膜具有多相结构:疏水相作为连续相，磺酸基团作为亲水基团。连续的疏水相作为膜的结构支撑，亲水相可以储存一定量的水。水在质子传导中起着至关重要的作用，促进质子从磺酸基分离，提供了大量的动态水合质子，来保持Nation 膜的理想性能。为了保持膜的水合状态，反应气 体都必须具备一定的湿度。 应用Nafion.膜或其它全氟磺酸膜的质子交换膜燃料电池有两个主要的局限。一是价格昂贵，另一个是在使用过程中必须保持充分的湿度来维持较高的质子传导率。为了保持高质子传导率，燃料气体（H2或空气）必须充分地进行水合。因此，湿度控制变得尤为重要，既要保持膜中含有充足的水份同时也要保证电极里的水不能太多。这 同时 也限制了工作温度必须低于100 0C,因为在100C以上运行膜会严重脱水导致膜的导电性能迅速衰退。在自增湿膜方面的研究亦需要用纳米级铂或金属氧化物。 提高运行温度能够提升 PEMF啲性能，原因如下:1）高温运行能提高CO的耐受能力：燃料电池在低温运行时，氢燃料的 CO会使电池中的铂催化剂中毒，这使得传统的燃料电池中需要更高纯度的氢。而在高温，铂不易中毒，电池可以承受氢燃料中 3%勺CO而没有能量损失。 2) 高温运行
质子交换膜燃料电池
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
质子交换膜燃料电池zha
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；
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
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
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
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
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势
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
质子交换膜燃料电池的应用与发展
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
质子交换膜的研究进展
燃料电池质子交换膜的研究进展 摘要：质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组件。本文较详细地介绍了全氟化质子交换膜，部分氟化质子交换膜，纳米复合质子交换膜，无氟化质子交换膜的性能及最新研究状况，最后提出质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；有机/无机纳米复合质子交换膜 质子交换膜燃料电池具有体积小、质量轻、功率密度高、启动快、无噪音、零污染等优点，具有及其广阔的应用前景, 尤其适合做电动汽车的动力源[1]。另外，还可以用于固定式发电系统，潜艇，军用、民用移动电源，城市洁净电站等方面。质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、催化剂和质子交换膜等部分组成。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的“心脏”，它在燃料电池中的作用是双重的:一是作为电解质提供氢离子通道，二是作为隔膜隔离两极反应气体，防止它们直接发生作用。其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能，因此对于质子交换膜材料的研究已经成为燃料电池研究工作中的热点之一。质子交换膜是燃料电池的技术关键，其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能、成本和应用前景。因此，对于质子交换膜材料的研究已成为燃料电池研究工作中的热点之一[2]。 目前，无论是燃料为H2/O2的PEMFC ，还是直接甲醇燃料电池(DMFC)，使用的质子交换膜几乎全都是美国Du Pont 公司生产的Nafion 系列膜[3]。尽管Nafion 全氟磺酸膜具有机械强度高、化学稳定性好、质子导电率高(较大水含量时)等优点，但其成本高、甲醇渗透率大等缺点，极大限制了PEMFC 的应用，尤其是DMFC 的应用。因此，开发导电性能优良、成本经济、甲醇渗透率低的新型质子交换膜是现
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
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 （
一种新型质子交换膜及其质子传输功能的研究
Study of a novel proton transport membrane with proton transport ability Peng Cheng, Yang Yong, Wang Li, Shi Xianfa (Department of Chemistry, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract A novel proton exchange membrane (PEM) was designed and prepared. It was made of a copolymer with the calix[4]arene derivative as the functional unit of proton recognition and selective transport. Proton transport experiments testified that it was comparable to Nafion 112 membrane, particularly, it could transport proton in the presence or without the presence of solvent.Thus it maybe could be applied in the H2/O2 fuel cells. Keywords proton transport; calix[4]arene; supermolecular function 一种新型质子交换膜及其质子传输功能的研究 彭程杨勇王丽施宪法 (同济大学化学系上海200092) 摘要本文设计并制备了一种新型质子交换膜，它由一种以杯[4]芳烃衍生物为功能基元的聚合物材料制成，利用其对质子的识别及选择性传输等超分子作用来传递质子，具有明显的质子传输能力。与现在通用的各种质子交换膜相比，其特点是不需要水或其它溶剂即能有效实现质子传递过程。因此，有望用作氢氧燃料电池中的质子交换膜。 关键词质子交换膜，杯[4]芳烃，超分子作用 1 引言 近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为动力源的研究在电化学[1]和能源科学领域[2]成为热点，广泛应用于军事、航天、能源和交通等领域[3]。质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件，它是一种能使质子选择性透过的膜，只允许质子通过，而电子、原料气等不可以通过[4]。 目前，最为常用的质子交换膜是美国杜邦公司生产的多(全)氟磺酸聚合物Nafion系列质子交换膜。它是一种阳离子交换型的选择性透过膜，其起质子交换作用的功能基团是固定在氟碳高聚物主链上的磺酸基（-SO3H）。Nafion膜在燃料电池中取得了巨大的成功，但是其价格昂贵，并且它必须依靠膜相中的水来完
质子交换膜燃料电池的工作原理
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热模拟
%引言 质子交换膜燃料电池（&’()*+&,-.-/’0123/45(567,3/5)859*599）是一个多相、多尺度、多物理场、动态复杂系统。质子交换膜燃料电池的内部热场分布研究是&’()*性能研究和电池堆的热管理不可缺少的一个环节。目前的设计中，&’()*很容易因为局部电流密度大、温度过高而导致质子交换膜失水，为了防止膜的干燥及高温运行，需要有相应的散热机制来移走电化学反应产生的热量，&’()*产生的热能约占总能量的#":;%<。文献;!<认为避免&’()*运行时温度过高，可采用适当的冷却剂对电池进行冷却；水、热管理是&’()*研究的两个重要方面，保持电池内水热平衡是电池能够稳定运行的关键。文献 ;$< ，通过 )8995,提出的二维模型，考察了水管理、热管理对电池性能的影响，说明了热管理和水平衡的关系。 文献;=，#< 讨论了质子交换膜燃料电池中温度沿流道长度方向变化。在文献;=<中，>?等建立了&’()*沿流道二维模型中采用了反应气顺流模型，考虑膜中压力梯度引起的对流传递、沿流道的温度分布，考察了自然对流、逆流和顺流热交换的散热过程；结果显示逆流热交换具有更好的散热效果。在文献;@<中，A3//5/75,4假设电池温度仅沿流道方向变化，采用B.5C3/D(30E599方程和简化的F89.5,DG-9865,方程，建立了沿流道方向质量与能量传递的二维模型H 模拟结果表明在接近等温状态电池性能最好。在文献;I<中，*-J.3634/3建立了一个全面的三维数学模型，描述了电池内的温度分布，其中也考虑了能量传递。文献;K<认为，在一定范围的运行条件下，为提高模拟结果可靠性，应该在模拟计算时考虑膜、电极、气体通道中的多项扩散和对流传热传质。从建模的角度看，建立一个综合的研究热传递模型，仍是热管理方面一项具有挑战性的工作。本文对 &’()*热场进行了模拟和分析，为优化&’()*的热管理提供了科学指导。 !模型描述 质子交换膜燃料电池的热场模拟，主要是通过应用基本的物理定律、传输机理、电化学理论等对电池内部复杂的物理现象进行模拟，并且对模拟结果进行可视化，提高对质子交换膜燃料电池内部热场分布的理解，有效地指导&’()*的热管理，从而提高电池的工作性能。 !L%几何模型M 浙江国际海运职业技术学院浙江舟山$%@"!%N 摘要：文章文介绍了质子交换膜燃料电池的热问题模拟现状，根据研究问题的需要，描述了模拟相 关的模型，应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟；从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论，得出结论；并与试验进行了比较，模拟与试验基本吻合。 关键词：燃料电池；质子交换膜；热模拟；模拟 质子交换膜燃料电池的热模拟 温小飞 B5OL!""#P-L$ !""#年Q 月第$期 浙江国际海运职业技术学院学报
燃料电池用质子交换膜简介
燃料电池用质子交换膜综述 1.1 概述 世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。 燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。 1.2 燃料电池 燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池： 1.2.1 燃料电池的组成 燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。
质子交换膜燃料电池的应用
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]。