氢蓝时代质子交换膜燃料电池

昆明理工大学

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┊ 质子交换膜燃料电池

摘 要

能源和环境是全人类面临的重要课题，考虑可持续发展的要求，在电池领域质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术正引起能源工作者的极大关注。本论文简单介绍了一下质子交换膜燃料电池的组成、特点及其工作原理。详细的从质子交换膜燃料电池的质子交换膜的材料、电催化剂的种类、双极板材料及其贮氢技术的困难方面论述了质子交换膜燃料电池的关键技术；同时从质子交换膜燃料电池的研发现状及其在电动车动力源、家庭电源、分散站和军事领域的应用做以介绍。

关键词：质子交换膜燃料电池；质子交换膜；双极板；电催化剂

ABSTRACT

Energy and environment is the mankind faces an important subject，considering the

requirements of sustainable development，the Proton Exchange Membrane Fuel Cell（PEMFC）technology is attracting the attention of energy workers. In this thesis，the

introduction of proton exchange membrane fuel cell composition，working principle，domestic and international situation and its application prospects. In this thesis，a brief

proton exchange membrane fuel cell composition，characteristics，and how it works and its

质子交换膜燃料电池的性能

【陆地方舟电动汽车网】 影响PEMFC工作性能的因素主要来自三个方面：一是电堆的技术状况；二是燃料电池的工作条件；三是整个燃料电池系统的水管理和热管理。

与电堆本身相关的影响PEMFC工作性能的因素有：膜电极的结构、制备方式和条件：质子交换膜的类型、厚度、预处理情况、传导质子的能力、机械强度、化学和热稳定性能：催化剂的含量和制备方法；双极板的结构和流场设计等。

与燃料电池的工作条件相关的，影响PEMFC工作性能的因素有电流密度、工作电压、反应气体压力、工作温度、气体组成等。质子交换膜燃料电池因采用较薄的固体聚合物膜作电解质而具有非常好的放电性能，通过优化反应气体压力、工作温度和气体组成等条件，可以使质子交换膜燃料电池的性能维持在较高的水平。

①电流密度、工作电压和功率特性 图1是1kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性。从图中可见，当电流增大，即电流密度增大时，工作电压随之下降，而功率增大。当电流增至100A时，相当于电流密度为500mA／cm2，达到设计的最高功率1.2kW，等同功率密度0.3W／cm2。而燃料电池的效率主要与工作电压有关，当燃料电池工作电压高时，能量效率高，由以上分析可知此时功率却低。因此，设计的燃料电池既想获得最高效率又想获得最大功率只是一种“理想”，只能通过对电堆进行最优化设计，达到在一定的电流密度下获得较高的工作电压，既得到较高功率又得到较高能量效率。一般来说，燃料电池的设计是依据最终的应用要求来决定是获得高功率还是获得高效率。例如，燃料电池电动汽车用的PEMFC，要求高功率密度和低成本，这只有在大电流密度下工作才能实现，而此时工作电压必然下降，能量效率就要低些；而对于地面固定发电站，要求高的能量效率和长寿命，这只有在高工作电压下才能实现，而此时电流密度必然降低，功率就要有所下降。

图1 1kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性

H2／空气的压力为0.3MPa/0.3MPa；

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：

2H2-4e-=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：

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。