质子交换膜燃料电池的热流体分析
王瑛
清华大学汽车工程系，汽车安全与节能实验室
质子交换膜燃料电池的热流体分析 Numerical analysis on a proton exchange membrane
fuel cell (PEMFC)
王瑛
清华大学汽车工程系，汽车安全与节能实验室
摘要：在燃料电池内部，速度、温度、组分浓度及电流分布特性有着极强的耦合作用。本文从自然对流，传热传质的角度，建立了一个空气自然对流式PEMFC的三维数学模型。利用三维流体动力学软件STAR-CD和用户建立的子程序，对自然对流下Navier-stokes 方程，能量方程，电化学动力学方程以及组分，水的传输方程进行了数值求解。通过分析数值计算的结果，结合自然对流的特性，设计了实验系统。实验结果验证了数值计算的正确性。计算和分析了不同阴极流道开口率对电池的性能及内部参数的影响。提出了这种电池操作条件和设计下的最佳开口率。
关键词：PEMFC，CFD，流道开口，性能
Abstract：In a fuel cell, the parameters of velocity, temperature, concentration of each constituent in the mixture, and current density have strong effect on each other. From the point of fluid dynamics, heat and mass transfer view, a three-dimensional mathematic model was developed including full governing equations for fluid dynamics, electrode kinetics, and water transport in membrane. The model was numerically solved in commercial CFD tool STAR-CD with user-defined subroutine in FROTRAN code. According to the numerical results, the experiment system was designed. The calculated cell performance curve is in good agreement with experiment results. Using this model having validated by experiment, the calculations for three different channel open ratio were carried out to find the optimal channel open ratio. The effect of the channel open ratio on performance and parameters of the fuel cell has been analyzed.
Keywords：PEMFC, CFD, channel open ratio, performance
1 概述
由于高效灵活，无污染等显著优点，燃料电池不仅在大型分散型电源及电动汽车上有着广泛的应用前景，在通信电子等小型电子设备和便携式电源方面也有着巨大的应用潜力。空气自然对流式质子交换膜燃料电池的阴极反应气来自于空气的自然对流，不需要空气压缩机和电风扇等，在阳极也不需要加湿器，有利于电池的小型化。但是空气自然对流的特性也带来了一些急待解决的问题，除了一般电池中的水、热管理问题，氧气在催化层的不足引起的浓度过电位是引起这种电池性能下降的主要原因。数值计算有利于揭示电池内部的现象。从而为提高电池性能提供依据。本文结合实验和模型计算方法，建立了一个三维的数学模型，基于有限体积法，对模型进行了求解。得到了影响电池性能的关键参数的分布特性。根据数值计算的结果，设计了实验系统。对电池的性能曲线和温度分布进行了测试。同时对数值计算结果进行了分析和验证。
2 数学模型描述
本文所建立的数学模型是一个多组分三维，稳态模型。包括了以下电池内部的热物理现象：（1）多组分混合物在双极板流体通道的对流和扩散。阴极混合物包括氧气，氮气和水蒸汽；阳极混合物由氢气和水蒸汽组成；（2）空气在阴极流道中的自然对流；（3）流体在多孔介质中的对流传质；（4）电极催化层中的电化学反应；（5）水在电解质膜中的输运现象；（6）在电池固体和流体中的热对流和热扩散现象；（7）电池内部固体和流体之间的共扼传热。模型的几何范围包括了一个空气自然对流式PEMFC 的阴阳两电极的双极板，扩散层，催化层以及离子交换膜七个部分，其结构如图1 所示。
本次模型计算作了如下假设：（1）不考虑水的相变，假设电池内部的水都以蒸汽的形式存在；（2）膜的传热计算时不考虑膜的含水量对温度计算的影响，膜中水的传输利用用户自定义的子程序来计算。（3）不考虑膜厚度方向的电流密度以及过电位的变化，各计算子域采用统一的数学模型，不考虑各子域之间的边界条件。
根据流体动力学和热力学守恒原理，本文建立了一个三维稳态层流数学模型。质量、动量、组分浓度及能量的守恒方程可以用如下通式表示[1]
：
φφρφS u +?Γ??=??)()(v
(1)
这里φ在不同的守恒公式里分别代表密度、速度、温度和组分质量分数。公式左边是由于对流引起的φ的变化率即对流项，右边第一项是由于扩散引起的φ的变化率即扩散项。是广义源项。各方程的源项公式和意义总结如表1。 φS
表1. 膜电极（MEA）中各计算域守恒公式的源项的意义及计算说明 （ARL－阳极催化层的缩写，GDL－扩散层的缩写，CRL－阴极催化层的缩写） Table 1. Summary of the source terms in the membrane-electrode-assembly (MEA) regions(ARL is the abbreviation of anode reaction layer, GDL is abbreviation of
diffusion layer, and CRL is cathode reaction layer)
在阴极，由于反应气来自流道内空气的自然对流，阴极动量源项还需考虑浮力作用引起的动量变化率。
g S u ρ?= (2)
动量方程和能量方程通过理想气体混合物的密度方程建立耦合。
上述公式中单位质子传输的水的净摩尔数α可以通过水在膜中的传输模型计算。水在膜中的传输来自两种驱动，即质子传输带来的电渗作用和浓度差引起的扩散作用
[2]
。
m a w c w w d It C C FD n )(,,??=α (3)
公式中电渗透系数，及水在膜中的扩散系数可以由水分压计算得到，详细计算公式见文献[2]
根据Tafel公式和燃料电池中的电化学原理，上述公式中的电流密度即反应速率，阴极电化学极化过电位，膜电阻引起的欧姆过电位，阴极的浓差极化引起的过电位可以由如下电极反应动力学公式计算
[2,3]
。
()
()lim 401ln 104.3ln 5.02I I T I t P I I F RT V V m m O OC C ?×+??=?σ (4)
极限电流密度根据氧气的质量传输速率计算得到[4]
：
)(422
22
lim O O O w w m Fc I O ?=∞
∞ρ& (5)
3 模型的数值计算
根据以上数学模型，结合表2的边界条件和初始条件，对结构如图1的自由呼吸式PEMFC 进行了数值计算。
图1. 空气自然对流式PEMFC 的几何结构和计算域示意图
Fig. 1. Geometry and calculation domain of an air-breathing PEMFC
为了实现阴极流道空气自然对流的边界条件，
考虑电池周围空气扩散和对流的影响，在流道开口处加了足够的额外空气网格已达到自由边界条件，即边界上的压力可以认为是大气压。模型中的守恒方程采用有限容积方法求解。电化学方程为超越方程，用对分法求解。守恒公式中的源项通过用户自编的基于有限差分方法的FROTRAN 子程序计算。三维模型利用商用CFD 软件STAR－CD 和用户子程序耦合求解。程序的流程图如图2所示。
表2.模型参数及边界条件说明
Table 2. Values for parameters and boundary condition used in the model 参数 符号 Value Parameters Symbol Value 扩散层和催化层材料的多空率 ε 0.4, 0.28
空气的相对湿度
ξ
63%RH
阳极流道宽度，高
度
a w ,
a h 0.1cm 膜的干密度
dry ρ
1840kg.m-3
极板脊的高度，宽度
r h r w
0.3cm 膜的干摩尔质量 M dry
1100kg.kmol-1
氢气的进口流率 2H N
7.198E-08 kg/s 膜的厚度 m t
0.00508cm
扩散层材料的透
过率 P K
1.8E-18 m2 扩散层，催化层的厚度
d t , s t 0.026cm,0.001cm
催化层材料的透
过率
P K
1.76E-12 m2
阴极流道长度
c L
47mm
Cathode channel
Anode inlet
Anode outlet
Cathode channel
MEA
Anode channel
图2 程序实现的流程图
Fig. 2. Program flow chart
4 数值计算结果分析和结论
图3是阴极流道宽度为3mm的自由呼吸式PEMFC的计算性能曲线和在相似条件下的实验数据的比较。从图3看出计算结果和试验数据基本吻合，在中间段的个别差异是由于本次研究为简化计算，没有考虑液态水以及忽略电极欧姆电阻等而引起的计算误差。性能曲线的比较验证了数学模型和方法的正确性。
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0V o l t a g e (V )
Current density (mA.cm -2
)0
50
100
150
200
250
V o l a t g e (V )
Current density (mA.cm -2
)
图3 数值计算的电池性能曲线与实验数据的对比（左）
Fig. 3. Comparison between the numerical prediction and experimental results （left）
图4.不同阴极流道宽度下电池性能曲线的比较 (右)
Fig. 4. Performance curves for three channel width （right）
图4到图7是对阴极宽度为2mm，3mm，4mm,即开口率67.5%, 75.9%, 80%，阴极流道长度为49mm， 电极活化面积为34.4cm 2
的自由呼吸式PEMFC计算的结果，图4 是三种阴极宽度下，电池性能曲线的比较。显然自由呼吸式PEMFC的性能远低于工作在强制对流下的PEMFC。可以观察到当电流密度升高到一定的程度，由于恶劣的氧气传输特性，电池电压急剧下降。比较三种开口率，当阴极流道开口宽度为3mm，即开口率75.9%时，电池性能最好，电流密度为0.15A.cm -2
时，电池性能最稳定而且功率密度最高，可以选定为电池的工作电流密度。为了分析阴极流道开口率对电池内部质量传输和水传输的影响，图5到图7展示了本文研究的自由呼吸式PEMFC工作在平均电流密度为0.15A.cm -2
时，三种不同的阴极流道尺寸下，与阴极有关的一部分计算结果。
图5 是三种阴极流道下氧气传输限制引起的浓差极化损失的分布图。显然采用3mm 阴极流道宽度的电池中，浓差极化损失最小，4mm 流道宽度的电池中的浓差极化损失最大。这是和流道的温度属性密切相关的。温度计算的结果显示：4mm 流道宽度的电池中催化层温度最低。因而可以判定，由于温度梯度引起的自然对流必然最弱，从而到达催化层的氧气最少，浓差极化加剧。
2mm
3mm
4mm
浓差过电位(V)
2mm
3mm
4mm
3mm
水的摩尔数
图5.不同阴极流道宽度下电池的浓差过电位分布的比较(A.cm -2
) (左)
Fig. 5 Comparison of concentration over-potential distribution (A.cm -2
) （left）
图6.不同阴极流道宽度下通过膜的水的净传输率的比较 （右）
Fig. 6. Comparison of net water transport rate through membrane (right)
流道宽度对水的分布也有着极大的影响。由于自由呼吸式PEMFC 阳极不加湿，阳极侧的水全来源于从阴极向阳极的水的净扩散。电池工作时，总有一部分水被质子从阳极携带到阴极，同时阳极侧和阴极侧水的巨大的浓度差，又使得一部分水扩散回阳极，这个过程称为水在膜中的回扩散，净传输的水的摩尔数是二者之差。被水携带的水的摩尔数和电流密度成正比，浓度扩散和水在两侧的浓度差成正比。图6是单位质子净传输的水的摩尔数，水的传输方向按惯例定义为从阳极到阴极。对本文研究的电池，阴极水的浓度远远大于阳极，因此净传输水的摩尔数为负值。4mm 流道的净传输水的摩尔数的绝对值最小，说明达到水平衡时，阴极侧和阳极侧水的浓度差别最小，因此，从图7也可以看出来，4mm 流道的PEMFC，由于膜缺水引起的欧姆损失最小。这是因为，流道宽度越大，和流道接触的电极面积越大，由于阴极流道中电化学反应生成水和空气的湿度，阳极水初始浓度为零。更大面积的膜的两侧形成了大的初始浓度差。有利于水的回扩散。
2mm
3mm
4mm
欧姆过电位(V)
图7.不同阴极流道宽度下膜的欧姆电阻分布的比较(V)
Fig. 7. Comparison of ohmic losses distribution in membrane (V) 通过对不同流道宽度（开口率）对电池的性能影响进行计算和分析，有助于理解空气自然对流下水的传输机理及造成浓差极化的原因。总结前面的计算分析可以得出如下结论： 1、 流道开口太小，开口率下降，空气流量下降。不利于流道内形成良好的自然对流； 2、 流道开口大，有利于边界层的强化换热，传质。但是由于和环境的热扩散，及对流，也
不利于保持足够的温度差以形成良好的自然对流。
3、 从水的回扩散的角度，流道开口越大越好，可以大面积地形成阳极和阴极侧的浓度差，
有利于阳极的湿化，减少膜电阻，提高电池性能。
4、 综合考虑以上因数，就本文的流道设计和工作条件，3mm 流道宽度（开口率75.9%）的
电池性能最好。
5 符号说明
cv A ——
特殊系数用于转换源项为单位体积量，cm 2
.cm
-3
C V ——电池工作电压,V ∞2O c —— 氧气在空气中的摩尔浓度，mol.m -3OC V
——开路电压，V w C —— 电解质膜中水的浓度， w
——质量分数 w D —— 扩散系数，cm 2。S -1Γ
——广义扩散系数 F
—— 法拉第常数，96,487 C.mol -1
m σ
——膜的电导率，.cm 1
??-1
g
—— 重力加速度，9.8 m.s
-2
μ
——
分子粘度，kg.m
-3
lim I —— 极限电流密度，A.cm -2
ρ
——密度，kg.m
-3
0I —— 交换电流密度，A.cm -2
η
——过电位，V P k —— 多孔材料的透过率 ε ——空隙率 M
—— 摩尔质量，kg.mole
-1
上，下角标
2O m
& —— 氧气在催化层表面的质量流量，kg.m -2
.s
-1
∞
——无穷大 d n
—— 电渗透系数
a
——阳极 2O P —— 氧气在混合物中的分压，Pa
c
——阴极 R —— 气体常数，8.314J.mol -1 K -1
O H 2
——水 T
—— 阴极催化层温度, K
m
——膜 m t —— 膜的厚度，cm
O 2
——氧气 u v
—— 流体速度矢量, m.s -1
6 参考文献
[1] H.K. Versteeg, W. Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics. Longman Group ltd, 1995: 10-39, 103-133
[2] Springer T E, Zawodzinski t A, Gottesfeld S. Polymer electrolyte fuel cell model. J Electrochem Soc, 1991, 138(8): 2 334—2 341.
[3] Larminie J, Dicks A.Fuel cell systems explained. John Wiley&Sons Ltd, 2000, 395—399.
[4] Geoffrey Prentice, Electrochemical Engineering Principles, Prentice-Hall, Inc, 1991: 6-28, 29-48, 151-165
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；
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