质子交换膜燃料电池项目可行性研究报告
泓域咨询丨规划设计·投资分析
第一章项目绪论
一、项目名称及建设单位
（一）项目名称
质子交换膜燃料电池项目
（二）项目建设单位
某某有限公司
二、项目拟建地址及用地指标
（一）项目拟建地址
该项目选址在某某工业园区。
（二）项目用地性质及用地规模
1、该项目计划在某某工业园区建设，用地性质为工业用地。
2、项目拟定建设区域属于工业项目建设占地规划区，建设区总用地面积73333.7 平方米（折合约110.0 亩），代征地面积660.0 平方米，净用地面积72673.7 平方米（折合约109.0 亩），土地综合利用率100.0%；项目建设遵循“合理和集约用地”的原则，按照质子交换膜燃料电池行业生产规范和要求进行科学设计、合
理布局，符合质子交换膜燃料电池制造和经营的规划建设需要。
（三）项目用地控制指标
1、该项目实际用地面积72673.7 平方米，建筑物基底占地面积49854.2 平方米，计容建筑面积82048.7 平方米，其中：规划建设生产车间66714.6 平方米，仓储设施面积9156.9 平方米（其中：原辅材料库房5523.2 平方米，成品仓库3633.7 平方米），办公用房3197.6 平方米，职工宿舍1816.8 平方米，其他建筑面积（含部分公用工程和辅助工程）1162.8 平方米；绿化面积4796.5 平方米，场区道路及场地占地面积18023.1 平方米，土地综合利用面积72673.8 平方米；土地综合利用率100.0%。
2、该工程规划建筑系数68.6%，建筑容积率1.1 ，绿化覆盖率6.6%，办公及生活用地所占比重5.2%，固定资产投资强度3523.5 万元/公顷，场区土地综合利用率100.0%；根据测算，该项目建设完全符合《工业项目建设用地控制指标》（国土资发【2008】24号）文件规定的具体要求。
三、项目建设的理由
“中国制造2025”针对全球传统和新兴产业发展趋势，结合
不同产业发展现状，合理制定了逐步提升制造业的方案，使中国在全球各产业的价值链地位全面提升。
四、项目建设内容
（一）土建工程
该项目在某某工业园区建设，总用地面积73333.7 平方米（折合约110.0 亩），预计总建筑面积82048.7 平方米，其中：规划建设生产车间66714.6 平方米，仓储设施面积9156.9 平方米（其中：原辅材料库房5523.2 平方米，成品仓库3633.7 平方米），办公用房3197.6 平方米，职工宿舍1816.8 平方米，其他建筑面积（含部分公用工程和辅助工程）1162.8 平方米，建筑物基底占地面积49854.2 平方米，场区道路及场地占地面积18023.1 平方米，绿化面积4796.5 平方米，土地综合利用面积72673.8 平方米；该项目工程容积率 1.1 ，建筑系数68.6%，建设区域绿化覆盖率6.6%，办公及生活用地所占比重 5.2%，场区土地综合利用率100.0%。
（三）公用工程及其他
该项目建设公用工程包括：电气系统、给排水系统、供热系
统、办公生活设施、消防系统、污染物处理系统等，提供完善的配套设施及便捷舒适的配套环境。
五、项目产品规划方案
（一）产品规划方案
该项目产品是以市场需求为导向，结合某某有限公司研发能力与发展规划而确定目标市场；项目投产后选定的生产经营范围是：生产（制造）销售质子交换膜燃料电池。
（二）项目效益规划目标
根据预测，该项目达纲年的营业收入52741.9 万元，总成本费用42030.3 万元，营业税金及附加250.0 万元，年新增利税总额13292.3 万元，年利润总额10461.6 万元，年净利润7846.2 万元，年纳税总额5446.1 万元。
六、投资估算及资金筹措方案
（一）项目投资方案
1、根据谨慎财务测算，项目总投资33520.8 万元，其中：固定资产投资25609.5 万元，占项目总投资的76.4%；流动资金7911.3 万元，占项目总投资的23.6%；在固定资产投资中，建设
投资25115.2 万元，占项目总投资的74.9%；建设期借款利息494.3 万元，占项目总投资的1.5%。
2、该项目建设投资25115.2 万元，其中：工程建设费用23288.5 万元，占项目总投资的69.5%，包括：建筑工程投资9269.1 万元，占项目总投资的27.7%；设备购置费13611.1 万元，占项目总投资的40.6%；安装工程费408.3 万元，占项目总投资的1.2%；工程建设其他费用1455.5 万元，占项目总投资的4.3%，其中：土地使用权费924.0 万元，占项目总投资的2.8%，预备费371.2 万元，占项目总投资的1.1%。
（二）资金筹措方案
1、项目总投资（TI）33520.8 万元，根据资金筹措方案，某某有限公司计划自筹资金23474.7 万元，占项目总投资的70.0%。
2、根据谨慎财务测算，该项目全部借款总额10046.1 万元，占项目总投资的30.0%，其中：项目建设期申请银行借款10046.1 万元，占项目总投资的30.0%；项目经营期申请流动资金借款0.0 万元，占项目总投资的0.0%。
七、项目达纲年预期经济效益
1、项目达纲年预期经营收益：52741.9 万元（含税）。
2、年总成本费用42030.3 万元。
3、营业税金及附加250.0 万元。
4、项目达纲年利润总额：10461.6 万元。
5、项目达纲年净利润：7846.2 万元。
6、项目达纲年纳税总额：5446.1 万元。
7、总投资收益率（ROI）：32.6%。
8、资本金净利润率（ROE）：44.6%。
9、项目达纲年投资利润率：31.2%。
10、项目达纲年投资利税率：39.7%。
11、项目达纲年投资回报率：23.4%。
12、全部投资回收期（所得税税后）：5.1 年（含建设期12 个月）。
13、全部投资财务内部收益率（FIRR）：28.6%（达纲年）。
14、固定资产投资回收期：4.5 年（含建设期12 个月）。
15、项目经营盈亏平衡点：40.3%（达纲年）。
八、项目建设进度规划
“质子交换膜燃料电池生产建设项目”按照国家基本建设程序的有关法规和实施指南要求进行建设，该项目建设期限规划为
12 个月。
九、报告编制说明
受某某有限公司的委托，泓域咨询机构负责编制《质子交换膜燃料电池生产建设项目可行性研究报告》；泓域咨询机构依据国家有关法律、法规、技术规范和日照市、某某等当地政府的有关政策、规定文件，对本项目的投资建设进行了全面、详细的研究分析论证，结合本项目所在地的自然条件、资源条件、基础设施条件，依据某某有限公司对本项目总体规划设想方案，认真编制《质子交换膜燃料电池生产建设项目可行性研究报告》，达到《建设项目可行性研究报告编制内容深度规定》的要求。
（一）报告编制目的
投资项目可行性研究报告为针对行业投资投资项目进行可行性研究咨询服务的专项研究报告，此报告为个性化定制服务报告，我们将根据不同类型及不同行业的项目提出具体要求，修订报告提纲，并在此目录的基础上重新完善行业数据及分析内容，为企
业项目立项、批地、企业注册、资金申请以及融资咨询提供全程指导服务。
（二）报告编制原则
本报告从节约资源和保护环境的角度出发，遵循“创新、先进、可靠、实用、效益”的指导方针，严格按照技术先进、低能耗、低污染、控制投资的要求，确保该项目技术先进、质量优良、保证进度、节省投资、提高效益，充分利用成熟、先进的经验，实现降低成本、提高经济效益的目标，该项目可行性研究报告具体编制遵循下述原则。
1、严格遵守国家产业发展政策和地方产业发展规划的原则。该项目建设必须依法遵循国家的各项政策、法规和法令，必须完全符合国家产业发展政策、行业投资方向及发展规划的具体要求。
2、坚持“社会效益、环境效益、经济效益共同发展”的原则。注重发挥该项目的经济效益、区域规模效益和环境效益协同发展，利用某某有限公司在质子交换膜燃料电池方面的技术，使该项目产品达到国际领先水平，实现产业结构优化，达到“高起点、高质量、节能降耗、增强竞争力”的目标，提高企业经济效益、社
会效益和环境保护效益。
3、坚持应用先进技术的原则。根据某某有限公司和某某工业园区的实际情况，合理制定质子交换膜燃料电池产品方案及工艺路线，在质子交换膜燃料电池产品生产技术设计上充分体现设备的技术先进性、操作安全性。采用先进适用的质子交换膜燃料电池生产工艺技术，努力提高质子交换膜燃料电池生产装置自动化控制水平，以经济效益为中心，在采用先进工艺和高效设备的同时，做好投资费用的控制工作，以求实科学的态度进行细致的论证和比较，为投资决策提供可靠依据。
4、项目建设要符合国家“综合利用”的原则。充分利用国家对质子交换膜燃料电池生产提供的各种有利条件，综合利用企业技术资源，充分发挥某某社会经济发展优势、人力资源优势，区位发展优势以及配套辅助设施等有利条件，尽量降低项目建设成本，达到节省投资、缩短工期的目的。
5、认真贯彻执行“三高、三少”的原则。“三高”即：高起点、高水平、高投资回报率；“三少”即：少占地、少能耗、少排放。
6、重视环境保护的原则。使该项目建设达到环境保护的要求，同时，严格执行国家有关企业安全卫生的各项法律、法规，并做到环保“三废”治理措施以及工程建设“三同时”的要求，使企业达到安全、整洁、文明生产的目的。
7、重视施工设计工作的原则。严格执行国家相关法律、法规、规范，做好节能、环保、卫生、消防、安全等设计工作。同时，认真贯彻“安全生产，预防为主”的方针，确保该项目建成后符合国家职业安全卫生的要求，保障职工的安全和健康。
8、坚持节能降耗的原则。努力做到合理利用能源和节约能源，根据某某工业园区的地理位置、地形、地势、气象、交通运输等条件及“保护生态环境、节约土地资源”的原则进行布置，做到工艺流程顺畅、物料管线短捷、公用工程设施集中布置，节约资源提高资源利用率，做好节能减排；从而实现节省项目投资和降低经营能耗之目的。
9、坚持安全生产的原则。认真贯彻执行国家有关建设项目消防、安全、卫生、劳动保护和环境保护的管理规定，认真贯彻落实“三同时”原则，项目设计上充分考虑生产设施在上述各方面
的投资，务必做到环境保护、安全生产及消防工作贯穿于项目的设计、建设和投产的整个过程。
10、坚持实事求是原则。按国家《建设项目经济评价方法与参数（第三版）》的要求，在调查研究基础上，以客观公正立场、科学严谨的态度对该项目的经济效益做出适当的评价。
十、项目综合评价
1、该项目符合国家产业发展政策和规划要求，符合日照市及某某行业布局和结构调整政策；项目的建设对促进某某质子交换膜燃料电池产业结构、技术结构、组织结构、产品结构的调整优化有着积极的推动意义。
2、制造业是国民经济的支柱产业，在全球范围内都发挥越来越重要的作用。制造业竞争力已成为衡量一个国家和地区综合实力和国际竞争力的重要指标。今年以来，我市强势开局、精准发力，引进了一批能带动区域产业转型升级的央企名企，落地了一批事关“十三五”和长远发展的大项目好项目，填补了台州制造业体系中的一些空白，台州制造的产品将遍及海陆空各领域，成为全国高端装备制造的重镇。这也为调整产业结构、提升台州制
造的品牌和实力注入了新的动能（因产业集聚效应，仅无人机产业基地将为台州带来1000亿元的新增产能），显示了超常的“台州力度”。加上相关领域的一系列重磅举措，共同为台州接轨“中国制造2025”打下坚实基础，台州已迎来发展的黄金时期，非常鼓舞人心。
3、某某有限公司为适应国内外市场需求，拟建“质子交换膜燃料电池生产建设项目”，该项目的建设能够有力促进日照市某某经济发展，为社会创造455 个就业机会，达纲年纳税总额5446.1 万元，可以促进某某区域经济的繁荣发展和社会稳定，为地方财政收入做出积极的贡献，由此可见，该项目的实施具有显著的社会效益。
4、该项目总投资33520.8 万元，其中：建设投资25115.2 万元，建设期借款利息494.3 万元，流动资金7911.3 万元；经测算分析，项目建成投产后达纲年营业收入52741.9 万元，总成本费用42030.3 万元，年利税总额13292.3 万元，其中：年净利润7846.2 万元，纳税总额5446.1 万元（增值税2580.7 万元，营业税金及附加250.0 万元，年缴纳企业所得税2615.4 万元），年利润总额
10461.6 万元，税后财务内部收益率（FIRR）28.6%，全部投资回收期5.1 年，固定资产投资回收期4.5 年，该项目可以取得较好的经济效益。
综上所述，通过本章上述所做的技术、经济、环保、安全等方面分析结果表明，“质子交换膜燃料电池生产建设项目”技术上可行、经济上合理；本报告认为：该项目所提供的质子交换膜燃料电池市场前景良好，投资方向正确，技术方案设计先进合理，经济效益突出，因此，该项目的投资建设并实施无论是经济效益、社会效益还是环境保护、清洁生产都是积极可行的，因此，该项目建设是必要的也是完全可行的。
第二章项目建设背景及必要性
一、项目提出的背景
（一）产业发展政策符合性
“中国制造2025”针对全球传统和新兴产业发展趋势，结合不同产业发展现状，合理制定了逐步提升制造业的方案，使中国在全球各产业的价值链地位全面提升。
（二）区位发展背景
经济平稳较快增长。初步核算并经省统计局审核反馈，全市实现地区生产总值（GDP）2002.65亿元，按可比价格计算，比上年增长9.0%。分产业看，第一产业增加值150.23亿元，增长3.8%；第二产业增加值963.48亿元，增长9.4%；第三产业增加值888.94亿元，增长9.4%。人均地区生产总值68848元，增长8.3%。产业结构继续优化。三次产业比例由上年的8.1:47.7:44.2调整为7.5:48.1:44.4，第三产业比重比上年提高0.2个百分点。蓝色经济实现增加值1061.57亿元，增长12.9%；占GDP的53.0%，比上年提高1.2个百分点。工业生产较快增长。年末全市规模以上工业企业675家，实现工业增加值582.95亿元，增长10.15%。全市35个工业行业大类有23个行业实现增长，增长面65.7%。分三大门类看，采矿业增加值下降0.5%，制造业增长10.7%，电力、热力、燃气及水的生产和供应业增长6.1%；轻重工业协调发展，轻重工业增加值比例为22.2:77.8，其中轻工业实现增加值129.16亿元，增长9.0%，重工业实现增加值453.79亿元，增长10.9%。工业结构调整优化，新旧动能转换接替有序。供给侧结构性改革深入推进，低端供给和无效供给减少。钢铁行业全年生产高附加值
酸洗薄板、镀锌薄板377.3万吨，增长20.8%；钢筋、线材等低端产品产量分别下降 3.2%和61.9%。全市实现装备制造业增加值163.60亿元，占规模以上工业增加值的28.1%。全年完成高新技术产业产值692.77亿元，增长17.5%；占规模以上工业总产值24.67%，比年初提高1.41个百分点。新兴产业孕育成长，医药制造业、专用设备制造业、废旧资源综合利用业增加值分别增长14.7%、65.0%和2.1倍。运行质量明显改善，盈利能力显著提升。全年实现规模以上工业主营业务收入2742.90亿元，增长17.4%，增速比上年提高6.5个百分点；实现利润总额157.48亿元，增长88.6%，增速比上年提高48.8个百分点；利税总额210.79亿元，增长64.4%，增速比上年提高26.3个百分点。
（三）产业发展符合性
战略性新兴产业代表新一轮科技革命和产业变革的方向，其发展事关全局和长远。必须以更大的决心和勇气谋篇布局，确保战略性新兴产业成为支撑新旧增长动能转换的新动力，引领产业迈向中高端和经济社会高质量、可持续发展。质子交换膜燃料电池制造名列其中，覆盖拟建项目投产后的产品，因此，该项目属
于当前国家重点鼓励发展的产业；综上所述，该项目符合国家及地方相关行业的准入规定。
（四）有利于扩大就业，提升当地人民的生活水平
1、通过该项目的建设可为社会提供455 个工作职位，可为当地农村剩余劳动力和大学毕业生提供就业机会，有利于缓解当地就业压力，同时，可增加当地就业人的员的收入，进而提高当地人民生活水平和质量，对社会的发展具有促进作用。
2、某某有限公司通过自身拥有的专业技术和前期调研、询价掌握的市场信息等准备工作，已经建立起来的基础条件与优势将使各项工作顺利开展。
二、项目建设的必要性
1、推动高质量发展，是当前和今后一个时期确定发展思路、制定经济政策、实施宏观调控的根本要求。要紧扣我国社会主要矛盾变化，统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局，加快形成推动高质量发展的指标体系、政策体系、标准体系、统计体系、绩效评价、政绩考核，创建和完善制度环境，让高质量发展得到人民的认可、经得起历史检验。
2、综合各方面情况，我们还可举出许多令人欣喜的积极变化，但切不可据此而盲目乐观。我国正处在转型升级、动能转换的关键阶段，结构调整阵痛仍在持续，稳增长的基础尚不牢固，新动能成长之势仍显不足。一方面，面临错综复杂的国际形势，低迷的国际贸易对我国进出口负面影响加大，并伴生诸多不确定性因素，我们必须增强风险防范意识，牢牢把握对外开放的主动权；另一方面，国内去产能、去库存、去杠杆、降成本、补短板任务艰巨，面临诸多现实挑战，我们必须加大供给侧结构性改革力度，继续扩大有效需求，以加强新经济创新人才培养和高新技术企业创新能力储备为重点，加快培育新动能。归根结底一句话，就要坚持以创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念为引领，努力把经济向好之势转化为推动经济增长之能，确保实现“十三五”经济社会发展良好开局。
第三章项目选址科学性分析
一、项目选址及用地方案
1、某某有限公司通过对项目拟建场地缜密调研，充分考虑了项目生产所需的内部和外部条件：距原料产地的远近、企业劳动
力成本、生产成本以及拟建区域产业配套情况、基础设施条件及土地成本等。
2、通过对可供选择的建设地区进行比选，综合考虑后选定的项目最佳建设地点——某某工业园区，所选区域完善的基础设施和配套的生活设施为项目建设提供了良好的投资环境。
3、由某某有限公司承办的“质子交换膜燃料电池生产建设项目”，拟选址在某某工业园区，工程场界为：东接健身广场，西靠幸福公园，南临园区主干线，北依（连）蓝天小区。所选建设区域土地资源充裕，而且地理位置优越、交通便利、四方通衢、地形平坦、土地平整、交通条件便利、配套设施齐备，符合项目选址要求。
4、拟定建设区域属项目建设占地规划区，项目总用地面积73333.7 平方米（折合约110.0 亩），代征地面积660.0 平方米，净用地面积72673.7 平方米（折合约109.0 亩）；项目建设遵循“合理和集约用地”的原则，按照质子交换膜燃料电池行业生产规范和要求，进行科学设计、合理布局，符合质子交换膜燃料电池生产经营的需要。
二、土地权属类别
该项目拟建场区位于某某工业园区，土地性质为工业建设用地，其土地权属为国有出让土地，使用权归某某有限公司，项目总占地面积73333.7 平方米（折合约110.0 亩），目前，土地征用工作已经全部完成，所使用土地均系通过土地出让方式获得，土地使用权费924.0 万元，土地使用年限为50年。
三、项目节约用地措施
1、土地既是人类赖以生存的物质基础，也是社会经济可持续发展必不可少的条件，因此，某某有限公司在利用土地资源时，严格执行国家有关行业规定的用地指标，根据建设内容、规模和建设方案，按照国家有关节约土地资源要求，合理利用土地。
2、在项目建设过程中，某某有限公司根据某某的总体规划以及工业园区对该项目地块的控制性指标，本着“经济适宜、综合利用”的原则进行科学规划、合理布局，最大限度地提高土地综合利用率。
3、该项目依托某某工业园区已有生活设施、公共设施、交通运输设施，建设区域少建非生产性设施，因此，有利于节约土地
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
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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；
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（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