质子交换膜燃料电池的基本结构

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。

毕业设计（论文）题目名称：新型燃料电池的研究新型燃料电池的研究Research on new type fuel cells摘要能源是经济的的基础。

人类为了更有效的的利用能源，一直进行着不懈的努力。

利用能源的方式历史上有过多次革命性的变革，每一次变革都极大的推进了社会文明的发展。

二次能源中，蒸汽由于传输距离短，难以存储而应用受限；电能虽然传输快、传输距离远，但存在传输过程中存在能量损耗大，难于存储的缺点；而氢能既能远距离传输、又能方便存储，因而成为二十一世纪的理想能源，二十一世纪也被称为氢世纪。

多年来人们一直努力寻找既有较高能源效率又不污染环境的能源方式，因而引导出燃料电池发电技术。

燃料电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。

燃料电池凭借着它独特的优势应用在各个领域，加速了社社会的发展，推进了社会的文明。

本文简述了燃料电池技术，各类燃料电池的原理以及它们各自的特点，并介绍目前燃料电池在国内外的应用现状，同时指出目前影响燃料电池商品化的主要因素。

关键词：新能源；燃料电池；高效率；环境保护。

AbstractEnergy is the basis of the economy. Human beings in order to make more effective use of energy, has been making unremitting efforts. The history of the use of energy, there have been several revolutionary changes each time changes are greatly promoted the development of our society. Secondary energy in the steam due to short transmission distance, it is difficult to store and the application is limited; electricity transmission faster, the transmission distance, but there is energy loss in the transmission process, difficult to store shortcomings; hydrogen both long-distance transmission. can facilitate the storage, and thus become the ideal energy of the twenty-first century, the twenty-first century is also known as a hydrogen century. Over the years people have been trying to find the energy efficiency of higher energy without polluting the environment, and thus lead to a fuel cell power generation technology. The fuel cell is not directly by the combustion process the fuel chemical energy converted into electrical energy, with the unique advantages of high energy conversion efficiency of the discharge of pollutants.The fuel cell by virtue of its unique advantages of application in various fields to accelerate the social development of society, and promote the social civilization. In this paper, the fuel cell technology, the principle of various types of fuel cells and their respective characteristics, and describes the application of fuel cells at home and abroad, noting that the main factors affecting the commercialization of fuel cell.Keywords: new energy; fuel cell; high efficiency; environmental protection.目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1 介绍 (2)2 燃料电池技术 (2)3. 燃料电池的分类 (3)3.1碱性燃料电池（AFC） (4)3.2磷酸燃料电池（PAFC） (5)3.3熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) (6)3.4固体氧化物燃料电池(SOFC) (7)3.5质子交换膜燃料电池(PENFC) (8)4. 燃料电池的应用现状以及存在的问题 (10)4.1 燃料电池的应用现状 (10)4.2 燃料电池应用存在的问题 (13)5.国内外燃料电池发展现状 (13)5.1国际燃料电池技术的发展状况 (13)5.2 中国燃料电池技术的发展状况 (14)6.结语 (15)参考文献 (16)致谢 (17)引言21世纪将是氢能的世纪，随着地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置即将大规模全面进入社会。

质子交换膜燃料电池的结构简介质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一种常见的燃料电池类型，它广泛应用于交通工具、家庭能源系统等领域。

本文将详细介绍质子交换膜燃料电池的结构，包括各个组成部分的功能和相互关系。

PEMFC的组成部分质子交换膜燃料电池主要由以下几个组成部分构成：1. 质子交换膜质子交换膜位于燃料电池的中心位置，起到将氢气和氧气分隔开的作用。

质子交换膜具有高离子传导性能，其内部的碳氟化合物链可以传递质子，而阻止氢气和氧气的混合。

常用的质子交换膜材料包括聚四氟乙烯膜（PTFE）和聚苯醚醚酮膜（PEEK）等。

2. 电极质子交换膜两侧各有一层电极，分别为阳极（Anode）和阴极（Cathode）。

阳极通常为铂（Pt）催化剂载体，其作用是将氢气分解成质子和电子。

阴极则通常使用铂催化剂，它将氧气还原为水并接收来自阳极的电子。

3. 电解质层电解质层位于质子交换膜和电极之间，起到传导质子，并阻止电子的作用。

电解质层通常由纳米级颗粒组成，例如磷酸铵质子交换树脂，它们可以提供充足的质子传导性能。

4. 双氧水板双氧水板位于阴极端，其作用是将来自阴极的水分离为氧气和质子。

质子通过质子交换膜传递到阳极，而氧气则作为废气排出。

5. 氢气供应系统和氧气供应系统质子交换膜燃料电池需要稳定的氢气和氧气供应。

氢气供应系统将压缩的氢气引入阳极，而氧气供应系统将空气中的氧气引入阴极。

PEMFC的工作原理质子交换膜燃料电池的工作原理如下：1.氢气从氢气供应系统进入阳极，经过催化剂的作用，分解为质子和电子。

2.质子穿过质子交换膜进入阴极，而电子则通过外部电路流动，产生电流。

3.在阴极端，氧气从氧气供应系统进入，与质子和电子反应生成水。

4.外部电路中的电子回到阳极，与氢气中的质子和氧气反应生成水。

质子交换膜的作用是将氢气和氧气分隔开，以防止产生短路现象。

同时，质子通过质子交换膜传递，形成了电流，驱动外部电路工作。

质子交换膜80-200微米全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）是一种重要的功能材料，广泛运用于燃料电池、电解水制氢等领域。

在PEM 中，质子传递通过质子传递通道进行，而阻止氢气和氧气的混合传递的是膜的本身。

80-200微米的质子交换膜是目前应用最为广泛的规格之一，具有良好的性能和稳定性。

一、质子交换膜的组成和结构80-200微米的质子交换膜主要由含氟聚合物制成，通常采用氟聚砜或氟聚乙烯等材料。

这些材料具有优异的热稳定性、化学稳定性和质子导电性能，能够有效地隔离氢气和氧气反应，并具有较高的选择性传递质子。

质子交换膜的结构主要包括三个部分：基膜、保湿层和催化层。

基膜为薄膜状，具有较高的机械强度和稳定性，可以有效阻止氢气和氧气的穿透。

保湿层的作用是保持膜的水分含量，保证质子的传递速度和效率。

催化层则是质子交换膜的活性部分，其中含有质子交换催化剂，能够促进质子传递反应的进行。

80-200微米的质子交换膜具有优异的性能和稳定性，适用于多种领域的应用。

主要的性能包括：1. 高质子传递速率：质子交换膜具有良好的质子传递速率，能够在短时间内完成质子传递反应，提高燃料电池和电解水制氢的效率。

2. 良好的化学稳定性：80-200微米的质子交换膜在强酸、强碱等恶劣环境下仍能保持较好的稳定性，不易被化学物质破坏。

3. 优异的热稳定性：质子交换膜能够在高温环境下保持较好的稳定性，不易退化和失效，适用于高温工况的应用。

质子交换膜广泛应用于燃料电池、电解水制氢、电化学传感器等领域。

在燃料电池中，质子交换膜作为燃料电池堆的核心部件，能够有效隔离氢气和氧气的反应，保证燃料电池的长期稳定运行。

在电解水制氢中，质子交换膜可以快速传递质子，促进水的电解反应进行，提高制氢效率。

在电化学传感器中，质子交换膜能够传递离子信号，实现对化学物质的检测和分析。

目前，关于80-200微米质子交换膜的研究主要集中在以下几个方面：1. 材料改性：通过引入导电填料、添加阻氧层等方式，改善质子交换膜的质子传输性能和稳定性。

氢燃料电池堆结构氢燃料电池堆结构氢燃料电池堆是一种将氢气与氧气反应产生电能的装置，具有高效、清洁、环保等优点，因此在未来能源领域具有广阔的应用前景。

本文将详细介绍氢燃料电池堆的结构，包括其组成部分、工作原理和应用场景等方面。

一、组成部分1.1 电极板电极板是氢燃料电池堆中最重要的组成部分之一，其主要作用是承载反应物和产物，并使其在正常工作条件下进行反应。

通常情况下，电极板由金属材料制成，例如铜、镍、钛等。

1.2 质子交换膜质子交换膜是连接阳极和阴极的关键部件。

它可以使质子从阳极传递到阴极，并防止其他物质进入反应区域。

目前市场上常见的质子交换膜有聚合物膜和无机膜两种。

1.3 催化剂层催化剂层是将氢和氧转化为水的关键环节。

它由铂或其他金属催化剂和碳载体组成，其作用是加速氢和氧的反应速度。

1.4 冷却系统冷却系统是氢燃料电池堆中必不可少的部分。

它可以将产生的热量排出，使电池保持在适宜的工作温度范围内。

冷却系统通常由水或空气冷却器组成。

1.5 氢气供应系统氢气供应系统是将储存的氢输送到电极板上的管道和阀门等设备。

它负责将高压储存的氢输送到燃料电池堆中进行反应。

二、工作原理2.1 反应过程在正常工作状态下，氢通过管道进入阳极侧，同时空气进入阴极侧。

在阳极侧，质子交换膜将水分子分解成质子和电子。

质子通过膜进入阴极侧，而电子则通过外部电路流动到阴极侧。

在阴极侧，质子、电子和空气中的氧结合形成水，并释放出能量。

2.2 优点与传统化石燃料发电相比，燃料电池具有以下优点：（1）高效：燃料电池的能量转换效率可以达到40%以上，而传统化石燃料发电的能量转换效率只有30%左右。

（2）清洁：燃料电池产生的唯一废气为水蒸气，不会产生二氧化碳和其他有害气体。

（3）环保：燃料电池使用的是可再生能源，如太阳能、风能等。

三、应用场景3.1 汽车领域氢燃料电池在汽车领域具有广泛的应用前景。

由于其高效、环保等优点，越来越多的汽车制造商开始将其作为替代传统内燃机的动力源。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种环保、高效的新能源电池，其在绿色能源领域具有广阔的应用前景。

PEMFC的关键部件之一是气体扩散层（Gas Diffusion Layer，简称GDL），它直接影响燃料电池的性能。

而在气体扩散层中，孔隙率是一个至关重要的参数，对气体和水分的传输以及电化学反应的发生有着重要的影响。

本文将就质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙率进行探讨，并分析其对燃料电池性能的影响。

一、气体扩散层的作用和结构1.1 气体扩散层的作用气体扩散层是组成质子交换膜燃料电池阴极和阳极的重要部分之一，它位于电极和双极板之间。

气体扩散层有助于将燃料气体和氧气输送到电极反应区，并将产生的水分和废气从电极反应区排出，同时还承担着电子导电和散热的作用。

1.2 气体扩散层的结构气体扩散层通常由碳纤维纸制成，具有一定的孔隙结构。

其表面通常涂有催化层，用于促进电极反应的发生。

而在气体扩散层的内部，孔隙率大小和分布对燃料电池的性能具有重要影响。

二、气体扩散层孔隙率的定义和测量方法2.1 孔隙率的定义气体扩散层的孔隙率是指气体扩散层内的孔隙空间所占的比例，通常用百分比表示。

孔隙率大小直接影响气体和水分在气体扩散层中的传输和分布，进而影响燃料电池的整体性能。

2.2 孔隙率的测量方法目前常用的测量气体扩散层孔隙率的方法包括压汞法、气体渗透法和X射线CT扫描法等。

这些方法各有优缺点，其中压汞法较为常用，可以较准确地测量气体扩散层的孔隙率。

三、气体扩散层孔隙率对燃料电池性能的影响3.1 气体传输气体扩散层的孔隙率大小影响着燃料气体和氧气在气体扩散层中的传输。

当孔隙率较大时，气体的传输速度较快，有利于保持燃料电池的正常工作。

但若孔隙率过大，会导致气体集流现象，使得部分区域的气体无法均匀地到达电极反应区，从而影响燃料电池的整体性能。

3.2 水分分布在燃料电池的工作过程中，水分的分布对气体扩散层的孔隙率有着较大的要求。

简述质子交换膜燃料电池的工作原理一、引言质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种高效、环保、可再生的能源转换装置，已经成为燃料电池技术发展的重要方向。

本文将详细介绍PEMFC的工作原理。

二、PEMFC的基本结构PEMFC由阳极、阴极和质子交换膜三部分组成。

阳极和阴极分别由催化剂层、扩散层和电流收集层组成。

质子交换膜位于阳极和阴极之间，起到隔离作用。

三、PEMFC的工作原理1. 电化学反应PEMFC通过氢气在阳极处发生氧化反应，产生质子和电子。

同时，在阴极处发生还原反应，将氧气还原为水。

整个过程如下所示：2H2 + O2 → 2H2O2. 质子传递在质子交换膜中，质子可以通过水分子形成的团簇传递到阴极一侧。

由于膜具有高选择性和低电导率，只有质子可以通过膜传递，而电子则需要通过外部电路流动。

3. 电子传递在外部电路中，电子从阳极流向阴极，形成电流。

由于阴极上的氧还原反应需要电子参与，因此在阴极上需要提供电子。

这个过程可以通过催化剂层中的铂纳米颗粒完成。

4. 氢气供应PEMFC需要氢气作为燃料。

一般采用压缩储存的方式将氢气输送到阳极处。

在阳极上，氢气通过扩散层进入催化剂层，在催化剂层上与水分子发生反应，产生质子和电子。

5. 氧气供应PEMFC需要氧气作为还原剂。

一般采用空气作为氧源，将空气输送到阴极处。

在阴极上，空气通过扩散层进入催化剂层，在催化剂层上与水分子发生反应，生成水。

四、PEMFC的优点和缺点1. 优点（1）高效：PEMFC具有高效率、高功率密度和响应速度快等特点。

（2）环保：PEMFC只产生水和热能等无害物质。

（3）可再生：PEMFC使用氢气作为燃料，氢气可以通过电解水得到。

2. 缺点（1）催化剂昂贵：PEMFC中的铂催化剂价格昂贵，限制了其商业化应用。

（2）寿命短：PEMFC中的催化剂易受污染和腐蚀，导致寿命较短。

（3）供应不稳定：PEMFC需要稳定的氢气和氧气供应，这对于移动设备等应用来说是一个挑战。

质子交换膜燃料电池冷启动模型研究质子交换膜燃料电池是一种新型的环保能源，具有高效、清洁、低噪音等优点，已经成为全球能源领域的研究热点。

然而，在实际应用过程中，质子交换膜燃料电池存在着冷启动问题，即在低温环境下启动电池会出现难以启动、启动时间长等问题，影响了其应用范围和效率。

因此，研究质子交换膜燃料电池的冷启动模型是十分必要的。

本文将从质子交换膜燃料电池冷启动的原理入手，介绍质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，然后详细阐述冷启动过程中的问题及其原因，最后提出一种基于液态水的冷启动模型，为解决质子交换膜燃料电池的冷启动问题提供参考。

质子交换膜燃料电池的结构和工作原理质子交换膜燃料电池是一种通过氢气和氧气反应产生电能的装置，其结构主要由质子交换膜、阳极、阴极和电解质组成。

其中，阳极和阴极分别涂覆有催化剂，用于催化氢气和氧气的反应，将其转化为电能和水。

质子交换膜则起到分离阳极和阴极的作用，同时也能够传导质子，使其从阳极传输到阴极，从而产生电流。

质子交换膜燃料电池的工作原理如下：首先，氢气在阳极上经过催化剂的作用，将其分解为质子和电子。

质子穿过质子交换膜，到达阴极，与氧气反应生成水。

电子则通过外部电路，产生电流。

整个过程中，质子交换膜起到了重要的作用，不仅分离了阳极和阴极，还传导了质子，使得电子能够顺利地通过外部电路产生电流。

冷启动过程中的问题及其原因质子交换膜燃料电池的冷启动问题主要表现为启动困难、启动时间长、输出功率低等。

这些问题的根本原因在于低温条件下，质子交换膜的传导能力下降，电子和质子的反应速率也减缓，从而影响了电池的输出功率。

具体来说，冷启动时，质子交换膜内部的水分子会结冰，导致质子传导能力下降，从而影响电池的输出功率。

此外，由于低温下氢气的扩散速率减缓，氢气很难进入电池，也会导致启动困难的问题。

此外，在低温环境下，催化剂的活性也会降低，进一步影响电池的输出功率。

基于液态水的冷启动模型为了解决质子交换膜燃料电池的冷启动问题，提出了一种基于液态水的冷启动模型。

氢燃料电池的工作原理燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图1[3]。

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。

以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，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：1/2O2+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。

3 PEMFC 的特点及研发应用现状燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。

PEMFC 发电机由本体及其附属系统构成。

本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。

附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。

图2 是一个典型的PEMFC 发电系统示意图[4]。

(1) PEMFC 作为移动式电源的应用PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。

适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。

实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。

二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。

绝密★启用前滨城高中联盟20232024学年度上学期高三期中II考试化学命题人：大连育明高级中学刘懿校对人：大连育明高级中学王仕作可能用到的相对原子质量: H1 C12 N14 O16 Na23 Co59一、选择题：本题共15 小题，每小题3分，共45 分。

在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。

1. 化学与生产、生活密切相关。

下列说法正确的是A. 侯氏制碱法制得的最终产物为NaHCO₃B. ¹H、²H、³H可用于制造氢弹C. 富勒烯是一种新型无机非金属材料；C₃₃与石墨烯互为同素异形体D. 亚硝酸钠是一种防腐剂，奶粉中添加的硫酸锌也是一种防腐剂2. 下列化学用语或表述正确的是A. H₃O₃的电子式:B. Fe²₃的结构示意图:C.铁片和锡片用导线连接后插入稀盐酸，负极的电极反应方程式为：Fe−3e⁻=Fe³⁺D. H₃PO₃为二元弱酸,KH₃PO₃与足量 NaOH溶液反应的离子方程为: H2PO3−+2OH−=PO33−+2H2O3. 下列有关工业制备反应正确的是A. 制 NaOH: Ca(OH)₂+Na₂CO₃=CaCO₃+2NaOHB. 冶炼银: 2Ag2O(熔融)电解4Ag+O2↑C. 合成氨: NH₃⋅H₂O+NH₃↑+Ca(OH)₂D. 制备漂白粉：2Cl₂+2Ca(OH)₂=CaCl₂+Ca(ClO)₂+2H₂O4. N A为阿伏加德罗常数的值，下列说法不正确的是A.1L0.01mol⋅L⁻¹FeCl₂溶液和1L0.01mol⋅L⁻¹K₃[Fe(CN)₆]溶液混合，混合后溶液中 K₃B.1L0.1mol⋅L⁻¹CuCl₂溶液和1L0.1mol⋅L⁻¹NaHS溶液混合，混合后溶液中存在：n(S²)+n(HS⁻)+n(H₂S)<0.1molC. 156g Na₃O₃与足量SO₃充分反应,转移电子数为4N AD. 28gN₃和 N₃的混合气体, 含有电子数为14N A5. 已知HN₃(叠氮酸)是一种酸性很弱的酸。

质子交换膜燃料电池的基本单元质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种新型的绿色能源技术，具有高效、环保、无污染等优点。

它的基本单元由多个组件组成，包括质子交换膜、阳极、阴极、集流板等部分。

下面将从这些方面逐一介绍。

一、质子交换膜质子交换膜是PEMFC的核心组件之一，它位于阳极和阴极之间，起到隔离氢气和氧气以及传导质子的作用。

目前常用的质子交换膜有聚四氟乙烯（PTFE）基材的Nafion膜和聚苯乙烯（PS）基材的SPEEK膜等。

Nafion膜具有良好的耐化学性和稳定性，在高温高湿环境下依然能够保持较好的性能。

但是它也存在着价格昂贵、耐久性不足等缺点。

相比之下，SPEEK膜在价格上较为优惠，并且具有更好的耐久性和稳定性。

二、阳极阳极是PEMFC中与氢气反应的电极，它通常由铂（Pt）或其合金制成。

阳极还需要具有较好的导电性和催化性能，以便于提高燃料电池的效率。

三、阴极阴极是PEMFC中与氧气反应的电极，它通常由铂（Pt）或其合金制成。

与阳极类似，阴极也需要具有较好的导电性和催化性能。

四、集流板集流板是PEMFC中用于收集阳极和阴极产生的电子，并将它们引导到外部负载上的组件。

集流板通常由碳纤维复合材料或金属材料制成。

五、其他组件除了以上几个核心组件之外，PEMFC还包括了许多其他组件，如冷却系统、加热系统、压力调节器等。

这些组件也都对PEMFC的性能起着重要作用。

总之，PEMFC作为一种新型的绿色能源技术，在未来有着广泛的应用前景。

通过对其基本单元进行深入了解，并不断优化和改进这些组件，可以进一步提高PEMFC的效率和稳定性，从而更好地满足人们对绿色能源的需求。

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与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、催化剂层与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)就是质子交换膜燃料电池的核心部件,就是一种厚度仅为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与寿命。

它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同,它不只就是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料,还就是电解质与电极活性物质(电催化剂)的基底,即兼有隔膜与电解质的作用;另外,PEM还就是一种选择透过性膜,在一定的温度与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她离子透过。

(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、良好的热与化学稳定性、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、还原与水解具有稳定性,并同时具有足够高的机械强度与结构强度,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:膜的厚度与单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率与膜的溶胀度。

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)与选择通过性能(透过性参数P)上。

a.膜的厚度与单位面积质量。

膜的厚度与单位面积质量越低,膜的电阻越小,电池的工作电压与能量密度越大;但就是如果厚度过低,会影响膜的抗控强度,甚至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。

燃料电池用质子交换膜产业分析1背景随着全世界工业化进程不断加快，人类对能源的需求越来越大，传统不可再生化石燃料因此日益枯竭，全球范围内的生态环境也加速恶化。

人们正迫切需要找到可替代传统化石燃料的可再生清洁能源。

经过多年研究，人们发现燃料电池(FuelCell)正是这样一种非常有前景的清洁可再生能源。

它是一种不受卡诺循环限制、能量转化效率高(50%～70%)、环境友好地将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)正是燃料电池的一种，这类电池具有工作温度低、启动迅速、比功率高、环境友好、使用寿命长等独特的优点，在电动汽车动力能源、移动电话、微型电源及小型发电装置等方面显示出广阔的应用前景。

一般而言，质子交换膜燃料电池由涂有催化剂的多孔电极和置于两者之间的质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)组成，结构如图1所示。

图1质子交换膜燃料电池结构示意图显然，质子交换膜是PEMFC的核心组成之一，实际上这种燃料电池就是以质子交换膜的名字命名的。

作为电池的电解质，PEM的作用包括：(1)防止电池阴阳极接触，避免两极燃料直接反应，确保能源利用率；(2)传输氢质子，高质子电导率的PEM是电池效率的保证；(3)阻隔电子，确保电子从外电路传输，达到使用电能的目的。

因此，PEM实质上是一种致密的选择性透过膜。

从所起的作用和商用的实际需求来看，用于PEMFC的质子交换膜必须满足的条件包括：(1)高的质子传导性能，可以降低电池内阻，提高电流密度；(2)较好的稳定性，包括物理稳定和化学稳定，阻止聚合物链降解；(3)较低的尺寸变化率，防止膜吸水和脱水过程中的膨胀和收缩引起的局部应力增大造成膜与电极剥离；(4)较高的机械强度，可加工性好，满足大规模生产的要求；(5)较低的气体渗透率，防止氢气和氧气在电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的电流效率；(6)适当的性价比。

燃料电池的质子交换膜
燃料电池的质子交换膜是一种可以让氢离子通过的高分子薄膜，是燃料电池的核心部件之一。

质子交换膜具有较高的电阻、较低的渗透率等特点，可以有效地减少电池的体积和重量，提高电池的能量密度和寿命。

目前，质子交换膜主要分为全氟磺酸型、全氟羧酸型、部分氟化聚合物型和非氟化聚合物型等几种类型。

其中，全氟磺酸型质子交换膜具有较高的质子传导能力和化学稳定性，是目前应用最广泛的质子交换膜之一。