质子交换膜燃料电池材料的研究及应用

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]。

图1. 1燃料电池工作示意图

1.2.2燃料电池的分类

通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表1.1列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。

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应用

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种电化学器件，其通过将氢气和氧气化学反应的产物（水）转化为电能来提供电力。PEMFC具有高效、高能量密度、低排放、环保等优点，因此在近年来被广泛应用于汽车、船舶、军事装备和航空航天等领域。

PEMFC由质子交换膜、阳极和阴极三部分组成。质子交换膜是PEMFC的核心部件，它连接了两个电极，在电极之间形成了离子通道，使氢气和氧气得以在电极上发生反应。阳极上氢气被氧化成质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴极，而电子则通过外部电路流回到阴极。在阴极上，质子和电子再次结合生成水。

与传统的燃料电池相比，PEMFC具有多种优势。PEMFC具有高效的电化学反应速率，从而能够输出高功率密度。由于采用了质子交换膜，PEMFC能够工作在低温下，响应速度更加迅速。PEMFC不需要氧化剂补偿，不产生污染物和温室气体。

实际应用中，PEMFC作为汽车动力系统的代表已经开始取得了一定的进展。由于PEMFC具有高效的转换效率、良好的环保性和低噪音等特点，因此得到了相关领域的广泛认可。PEMFC具有很高的初始功率，其加速能力和加速储备能力非常优秀，在城市道路上能够快速加速，因此在清洁能源领域具有广泛的应用前景。

PEMFC的实际应用仍然面临一些挑战，主要包括催化剂的高成本、寿命、稳定性和快速失活等问题。氢气储存和氢气加注技术也需要得到进一步的完善。使PEMFC的实际应用更加广泛和普及化需要各种领域的专家不断优化PEMFC的材料和技术，从而实现成本的降低和寿命的延长。

PEMFC作为清洁能源领域的重要技术之一，在未来几年内将得到不断的完善和发展，其在交通、军事、航空航天等领域的应用前景十分广阔。

PEMFC技术的发展需要通过材料、工艺等多个方面的改进来实现。催化剂材料是影响PEMFC性能的关键因素之一。目前，大多数PEMFC中使用的催化剂是铂及其合金，但铂是一种稀有金属，价格昂贵，制约了PEMFC的大规模商业化应用。研究和开发代替铂的低成本、高效、稳定的催化剂成为了PEMFC领域的热点。

燃料电池质子交换膜研究进展与展望

燃料电池是一种高效、清洁的能源转换技术，其核心是质子交换膜。质子交换膜燃料电池具有高效、环保、安全等优点，被广泛应用于汽车、船舶、飞机等领域。本文将介绍燃料电池质子交换膜的研究进展与展望。

燃料电池质子交换膜是燃料电池的核心组件之一，其作用是将氢气和氧气分离，同时传递质子，产生电能。质子交换膜的性能直接影响燃料电池的效率和稳定性。因此，研究和开发高性能的质子交换膜是燃料电池技术发展的重要方向。

燃料电池质子交换膜的研究主要集中在以下几个方面：

研究新型材料。传统的质子交换膜材料主要是聚四氟乙烯（PTFE）和聚苯乙烯（PS）。但这些材料存在着一些问题，如耐化学腐蚀性差、导电性差等。因此，研究新型材料成为了燃料电池质子交换膜研究的重要方向。目前，研究人员已经开发出了许多新型材料，如聚合物电解质膜、无机质子交换膜等。

研究质子交换膜的结构和性能。质子交换膜的结构和性能直接影响燃料电池的效率和稳定性。因此，研究质子交换膜的结构和性能是燃料电池技术发展的重要方向。目前，研究人员已经开发出了许多新型质子交换膜，如高温质子交换膜、低温质子交换膜等。

研究质子交换膜的制备技术。质子交换膜的制备技术直接影响质子交换膜的性能和成本。因此，研究质子交换膜的制备技术是燃料电池技术发展的重要方向。目前，研究人员已经开发出了许多新型制备技术，如自组装技术、溶液浸渍技术等。

燃料电池质子交换膜的研究进展与展望是一个非常重要的话题。未来，研究人员将继续开发新型材料、研究质子交换膜的结构和性能、研究质子交换膜的制备技术，以提高燃料电池的效率和稳定性，推动燃料电池技术的发展。